EP1136696B1 - Procédé et dispositif de positionnement d'un moteur thermique, dans une position d'arrêt facilitant le démarrage - Google Patents

Procédé et dispositif de positionnement d'un moteur thermique, dans une position d'arrêt facilitant le démarrage Download PDF

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EP1136696B1
EP1136696B1 EP01400722A EP01400722A EP1136696B1 EP 1136696 B1 EP1136696 B1 EP 1136696B1 EP 01400722 A EP01400722 A EP 01400722A EP 01400722 A EP01400722 A EP 01400722A EP 1136696 B1 EP1136696 B1 EP 1136696B1
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EP
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engine
crankshaft
thermal engine
speed
angular position
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Gérard Gohin
Vincent Basso
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Peugeot Citroen Automobiles SA
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Publication date
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    • F02N2019/008—Aiding engine start by starting from a predetermined position, e.g. pre-positioning or reverse rotation the engine being stopped in a particular position

Definitions

  • the invention relates to a method and a positioning device moving parts of a heat engine, in a stopping position of the motor facilitating start.
  • Internal combustion engines have at least a piston movable alternately in a cylinder and generally several pistons each mounted in a cylinder, the piston or each pistons being connected to a crankshaft by a connecting rod causing the crankshaft in rotation about an axis.
  • the inventor of the present patent application has found that the starting power depended in particular on the position of the organs moving the engine to a standstill before starting and especially the angular position of the crankshaft.
  • the invention therefore relates to a method of positioning the organs moving of a heat engine, in a stopping position of the engine facilitating the starting, the motor comprising at least one movable piston of alternative way in a cylinder, connected to a crankshaft by a connecting rod driving the crankshaft in rotation about an axis, in which the angular position of the crankshaft about its axis of rotation, to place it in a predetermined angular position, using a rotating machine electrical connection rotatably connected to the crankshaft and characterized by the fact that the engine is braked with the help of the electric rotary machine, during the shutdown of the engine, so that at the time of shutdown complete engine, the crankshaft is in its angular position predetermined.
  • FIG. 1 diagrammatically shows a piston 1 of an internal combustion engine that moves during operation of the engine, in a cylinder of the engine, as represented by the double arrow 2.
  • the piston 1 is connected via a connecting rod 3 to a crankshaft 4 rotatably mounted about an axis 5.
  • crankshaft 4 was greatly exaggerated to show the angular positions stop crankshaft.
  • crankshaft 4 is rotated about its axis 5 by the connecting rod 3 transforming the linear movement of the piston 1 into movement of rotation.
  • crankshaft such as the crankshaft 4 of a heat engine
  • the crankshaft when the engine stops, systematically stops at an angular position about its axis of rotation, situated in an angular zone extending from on both sides of an average position P m with a respective angular amplitude A 1 and A 2 .
  • FIG. 1 shows, on a dotted circle centered on the axis 5 of the crankshaft 4, the average stopping position P m and the extreme stopping positions P m + A 1 and P m - A 2 .
  • the starting power required is about 30% higher than the power corresponding to the initial average position P m .
  • the invention thus relates to a method and a device for place the moving parts of the engine and in particular the crankshaft, so automatic, in a position facilitating the starting of the engine and allowing a start with a minimum starting power.
  • FIG. 2 schematically shows a device to implement the method of the invention, to facilitate the starting a heat engine 6 represented, in a conventional manner, in the form of a parallelepiped.
  • the heat engine 6 has a crankshaft rotatably mounted next a longitudinal axis of the motor 6 and integral, at its longitudinal ends, a pulley 7 and a steering wheel 8, respectively.
  • the device for adjusting the stopping position of the motor according to the invention has a rotating electrical machine 10 which can be, as it will be explained later, an alternator or an electric motor.
  • the electric rotary machine 10 is connected, via a electronic control module 9, to a battery 14 which can be the battery of a motor vehicle driven by the engine 6.
  • a position sensor 15 makes it possible to locate very precisely the angular position of the flywheel 8 and the crankshaft of the engine 6.
  • the position sensor 15 is connected to the electronic control module 9, so as to transmit a position signal representative of the instantaneous position of the crankshaft of the heat engine 6.
  • the electronic control module 9 also receives a reference signal 16 corresponding to a position signal representative of the ideal average position P m of the crankshaft of the heat engine 6, for which starting is obtained with a minimum starting power.
  • the angular position adjustment of the crankshaft of the engine is carried out, during engine shutdown, to obtain a favorable restart position engine after shutdown.
  • the electronic control unit 9 When the engine stop is requested by the driver (function stop), an order is transmitted to the electronic control unit 9, way that it realizes the acquisition of an angular position signal of the crankshaft of the heat engine 6 transmitted by the position sensor 15.
  • the housing electronic control 9 realizes the continuous acquisition of the position angular angle of the crankshaft of the heat engine 6. It can be realized also the acquisition of the rotational speed of the crankshaft, in time real, while the engine is decelerating.
  • the rotating electrical machine 10 which can be constituted by the alternator of the motor vehicle, is made and ordered in such a way as to to be able to work in a reversible way.
  • the reversible electric machine 10 can control the deceleration of the engine to force its stop on the preferred angular position P m of the crankshaft of the heat engine 6.
  • the electric machine is driven by the housing of electronic control 9, so as to create a resistant torque for braking the engine 6.
  • the current produced by the reversible electric machine 10 then recharges the battery 14.
  • the control of the electric machine 10 is adapted to hold account, at all operating speeds of the engine, the value of the torque produced, so as to ensure a correct approach to the ideal stop position of the crankshaft.
  • FIG. 3 shows, in the form of a logic diagram, the implementation of the method according to the invention.
  • the electronic control unit of the electric machine constituted for example by a reversible type alternator receives as input a position signal of the engine crankshaft ⁇ mot.
  • the position signal is processed in a first unit 17 of the control module, so as to obtain the engine speed expressed in revolutions / minute in the form of the value N and compared, as shown in 18a, 18b and 18c in the figure 3, at the engine speed at idle N r and at a predetermined speed N 1 lower than the idle speed N r .
  • the engine 6 When the speed of the engine N is lower than the speed N 1 , before stopping the engine, the engine 6 is periodically braked by the alternator, as shown in 19b.
  • the periodic braking consists of braking the engine 6, when the crankshaft is between the two extreme positions P m + A 1 and P m - A 2 , that is to say in the angular zone of stop crankshaft.
  • the resistive torque exerted on the heat engine is modulated from the alternator 10 so as to increase the resistance torque when approaching the ideal position P m of the crankshaft.
  • step 18c When the complete stopping of the engine has been obtained, as represented at 18c, a comparison is made between the position of the crankshaft measured by the position sensor 15 and the ideal theoretical position P m . If a difference between these two positions is detected, a static registration is performed as illustrated in step 19c in FIG. 3.
  • the static registration of the crankshaft consists in feeding the alternator operating as a motor, in order to turn it in a direction or in the other until the ideal position of the crankshaft.
  • the alternator can then be used as a motor to start the engine of the engine with a reduced starting power.
  • the function of the reversible alternator realizing, at the moment of the shutdown of the engine, its positioning in the ideal angular position and the starting the engine from this ideal position can facilitate the implementation a "stop and start” function.
  • the method according to the invention therefore makes it possible to place the moving parts of the engine at the time of shutdown or after engine shutdown thermal, to obtain ideal starting conditions when using future engine.
  • the implementation of the method of the invention also makes it possible to obtain energy saving, because we recover charge energy of the battery, during the braking of the engine, when it stops. In in addition, obtaining the ideal position of stopping the engine is obtained more quickly than when making a subsequent registration after stopping the engine.
  • the implementation of the method of the invention is relatively complex and requires the use of calculation and control quite a lot of complexity.
  • An electric machine of any type can be used continuous or alternative.
  • the invention applies to any heat engine and in particular to thermal engines for traction of motor vehicles.

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Description

L'invention concerne un procédé et un dispositif de positionnement des organes mobiles d'un moteur thermique, dans une position d'arrêt du moteur facilitant le démarrage.
Les moteurs thermiques à combustion interne comportent au moins un piston mobile de manière alternative dans un cylindre et généralement plusieurs pistons montés mobiles chacun dans un cylindre, le piston ou chacun des pistons étant relié à un vilebrequin par une bielle entraínant le vilebrequin en rotation autour d'un axe.
On a constaté, qu'après un arrêt d'un moteur thermique, la puissance nécessaire au redémarrage du moteur est essentiellement variable entre une puissance minimale de démarrage et une puissance maximale qui est d'environ 30 % supérieure à la puissance minimale. Bien entendu, afin d'optimiser le fonctionnement des moteurs au démarrage et à solliciter le moins possible le démarreur et la batterie alimentant le démarreur, il serait souhaitable de régler les conditions de fonctionnement du moteur, de manière à pouvoir le démarrer dans tous les cas à une puissance voisine de la puissance minimale.
L'inventeur de la présente demande de brevet a pu constater que la puissance de démarrage dépendait en particulier de la position des organes mobiles du moteur à l'arrêt avant le démarrage et tout particulièrement de la position angulaire du vilebrequin.
Jusqu'ici, ce fait n'a jamais conduit à la conception d'un procédé permettant de faciliter le démarrage d'un moteur thermique.
On a déjà proposé (US-A-5,687,682) d'utiliser une machine électrique pour régler la position angulaire du vilebrequin d'un moteur. Toutefois, le procédé et le dispositif suivant l'art antérieur ne permettent pas de régler la position d'arrêt du moteur.
L'invention est donc relative à un procédé de positionnement des organes mobiles d'un moteur thermique, dans une position d'arrêt du moteur facilitant le démarrage, le moteur comportant au moins un piston mobile de manière alternative dans un cylindre, relié à un vilebrequin par une bielle entraínant le vilebrequin en rotation autour d'un axe, dans lequel on règle la position angulaire du vilebrequin autour de son axe de rotation, pour le placer dans une position angulaire prédéterminée, à l'aide d'une machine tournante électrique reliée en rotation au vilebrequin et caractérisé par le fait qu'on freine le moteur thermique à l'aide de la machine tournante électrique, pendant l'arrêt du moteur thermique, de manière qu'au moment de l'arrêt complet du moteur thermique, le vilebrequin se trouve dans sa position angulaire prédéterminée.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple, en se référant aux figures jointes en annexe, deux modes de réalisation du procédé de positionnement suivant l'invention facilitant le démarrage d'un moteur thermique.
  • La figure 1 est une vue schématique montrant les organes mobiles piston, bielle et vilebrequin d'un moteur thermique et des positions angulaires d'arrêt du vilebrequin.
  • La figure 2 est une vue en perspective montrant un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention.
  • La figure 3 est un logigramme relatif à la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention.
    • Sur la figure 1 on a représenté de manière schématique un piston 1 d'un moteur à combustion interne qui se déplace, pendant le fonctionnement du moteur, dans un cylindre du moteur, comme représenté par la double flèche 2.
    Le piston 1 est relié par l'intermédiaire d'une bielle 3 à un vilebrequin 4 monté rotatif autour d'un axe 5.
    Bien entendu, les dimensions relatives des organes du moteur ont été figurées de manière tout à fait conventionnelle. En particulier, la section du vilebrequin 4 a été fortement exagérée pour montrer les positions angulaires d'arrêt du vilebrequin.
    Le vilebrequin 4 est entraíné en rotation autour de son axe 5 par la bielle 3 transformant le mouvement linéaire du piston 1 en mouvement de rotation.
    On a constaté que le vilebrequin tel que le vilebrequin 4 d'un moteur thermique, au moment de l'arrêt du moteur, s'arrête systématiquement en une position angulaire autour de son axe de rotation, située dans une zone angulaire s'étendant de part et d'autre d'une position moyenne Pm avec une amplitude angulaire respective A1 et A2.
    Sur la figure 1, on a représenté, sur un cercle en pointillés centré sur l'axe 5 du vilebrequin 4, la position d'arrêt moyenne Pm et les positions extrêmes d'arrêt Pm + A1 et Pm - A2.
    On a également constaté que le démarrage du moteur est réalisé plus facilement à partir de la position initiale moyenne Pm et que le démarrage est d'autant plus difficile que la position initiale du vilebrequin se rapproche des positions extrêmes Pm + A1 et Pm - A2.
    Lors d'un démarrage à partir d'un des deux points extrêmes Pm + A1 et Pm - A2, la puissance de démarrage nécessaire est d'environ 30 % supérieure à la puissance correspondant à la position initiale moyenne Pm.
    En partant de cette constatation, l'inventeur de la présente demande de brevet a conçu un procédé et un dispositif permettant de faciliter le démarrage d'un moteur thermique et de réaliser, dans tous les cas, le démarrage du moteur, dans des conditions pratiquement optimales.
    L'invention concerne donc un procédé et un dispositif permettant de placer les organes mobiles du moteur et en particulier le vilebrequin, de manière automatique, dans une position facilitant le démarrage du moteur et permettant un démarrage avec une puissance de démarrage minimale.
    Sur la figure 2, on a représenté de manière schématique un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention, pour faciliter le démarrage d'un moteur thermique 6 représenté, de manière conventionnelle, sous la forme d'un parallélépipède.
    Le moteur thermique 6 comporte un vilebrequin monté rotatif suivant un axe longitudinal du moteur 6 et solidaire, à ses extrémités longitudinales, d'une poulie 7 et d'un volant 8, respectivement.
    Le dispositif de réglage de la position d'arrêt du moteur selon l'invention comporte une machine électrique tournante 10 qui peut être, comme il sera expliqué plus loin, un alternateur ou un moteur électrique.
    Sur l'arbre de sortie rotatif 11 de la machine tournante 10 est calée une poulie 12. Une courroie d'entraínement 13 passant sur les poulies 7 et 12 permet de réaliser une liaison en rotation du vilebrequin du moteur thermique 6 et de l'arbre de sortie de la machine tournante 10. Bien entendu, la liaison en rotation du vilebrequin du moteur 6 et de l'arbre de la machine tournante 10 pourrait être obtenue par des moyens différents de poulies et d'une courroie.
    La machine tournante électrique 10 est reliée, par l'intermédiaire d'un module de commande électronique 9, à une batterie 14 qui peut être la batterie d'un véhicule automobile entraíné par le moteur thermique 6.
    Un capteur de position 15 permet de repérer de manière très précise la position angulaire du volant 8 et du vilebrequin du moteur 6. Le capteur de position 15 est relié au module de commande électronique 9, de manière à transmettre un signal de position représentatif de la position instantanée du vilebrequin du moteur thermique 6. Le module de commande électronique 9 reçoit également un signal de consigne 16 correspondant à un signal de position représentatif de la position moyenne idéale Pm du vilebrequin du moteur thermique 6, pour laquelle le démarrage est obtenu avec une puissance de démarrage minimale.
    On réalise le réglage de position angulaire du vilebrequin du moteur, pendant l'arrêt du moteur, pour obtenir une position de redémarrage favorable du moteur après l'arrêt.
    Au moment où l'arrêt du moteur est demandé par le conducteur (fonction stop), un ordre est transmis au boítier électronique de commande 9, de manière qu'il réalise l'acquisition d'un signal de position angulaire du vilebrequin du moteur thermique 6 transmis par le capteur de position 15. Le boítier de commande électronique 9 réalise l'acquisition en continu de la position angulaire instantanée du vilebrequin du moteur thermique 6. On peut réaliser également l'acquisition de la vitesse de rotation du vilebrequin, en temps réel, pendant la décélération du moteur.
    La machine électrique tournante 10, qui peut être constituée par l'alternateur du véhicule automobile, est réalisée et commandée de manière à pouvoir fonctionner de façon réversible.
    Pendant l'arrêt et la décélération du moteur thermique, la machine électrique réversible 10 permet de piloter la décélération du moteur pour forcer son arrêt sur la position angulaire privilégiée Pm du vilebrequin du moteur thermique 6. La machine électrique est pilotée par le boítier de commande électronique 9, de façon à créer un couple résistant permettant de freiner le moteur thermique 6. Le courant produit par la machine électrique réversible 10 permet alors de recharger la batterie 14.
    La commande de la machine électrique 10 est adaptée pour tenir compte, à tous les régimes de fonctionnement du moteur thermique, de la valeur du couple produit, de manière à assurer une approche correcte de la position d'arrêt idéale du vilebrequin.
    Sur la figure 3, on a représenté, sous la forme d'un logigramme, la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention.
    L'unité de commande électronique de la machine électrique constituée par exemple par un alternateur de type réversible reçoit en entrée un signal de position du vilebrequin du moteur mot. Le signal de position est traité dans une première unité 17 du module de commande, de manière à obtenir la vitesse du moteur exprimée en tour/minute sous la forme de la valeur N et comparé, comme représenté en 18a, 18b et 18c sur la figure 3, à la vitesse du moteur au ralenti Nr et à une vitesse N1 prédéterminée inférieure à la vitesse au ralenti Nr.
    Lorsque la vitesse instantanée du moteur N est comprise entre N1 et Nr, on commande l'alternateur par le boítier électronique 9, de manière à réaliser un freinage continu du moteur thermique 6. Cette étape du procédé est représentée en 19a.
    Lorsque la vitesse du moteur N est inférieure à la vitesse N1, avant l'arrêt du moteur thermique, on réalise un freinage périodique du moteur thermique 6 par l'alternateur, comme représenté en 19b. Le freinage périodique consiste à freiner le moteur thermique 6, lorsque le vilebrequin se trouve entre les deux positions extrêmes Pm + A1 et Pm - A2, c'est-à-dire dans la zone angulaire d'arrêt du vilebrequin. On module le couple résistant exercé sur le moteur thermique à partir de l'alternateur 10, de manière à augmenter le couple résistant à l'approche de la position idéale Pm du vilebrequin.
    Lorsqu'on a obtenu l'arrêt complet du moteur, comme représenté en 18c, on réalise une comparaison entre la position du vilebrequin mesurée par le capteur de position 15 et la position théorique idéale Pm. Si l'on détecte un écart entre ces deux positions, on réalise un recalage statique comme figuré à l'étape 19c sur la figure 3. Le recalage statique du vilebrequin consiste à alimenter l'alternateur fonctionnant en moteur, pour le faire tourner dans un sens ou dans l'autre jusqu'à obtenir la position idéale du vilebrequin.
    L'alternateur peut alors être utilisé en moteur pour réaliser le démarrage du moteur thermique avec une puissance de démarrage réduite.
    La fonction de l'alternateur réversible réalisant, au moment de l'arrêt du moteur, son positionnement dans la position angulaire idéale et le démarrage du moteur à partir de cette position idéale peut faciliter la mise en oeuvre d'une fonction "stop and start".
    Le procédé suivant l'invention permet donc de placer rapidement les éléments mobiles du moteur au moment de l'arrêt ou après l'arrêt du moteur thermique, pour obtenir des conditions de démarrage idéales, lors d'une utilisation future du moteur.
    Dans le cas où l'on réalise la mise en oeuvre du procédé de l'invention en utilisant un alternateur réversible qui peut être l'alternateur du véhicule automobile dont le moteur thermique assure la traction, les moyens supplémentaires nécessaires pour cette mise en oeuvre sont constitués uniquement par un capteur de mesure de position angulaire du vilebrequin et par une unité de calcul et de commande programmée. La mise en oeuvre du procédé de l'invention n'entraíne donc qu'un très faible surcoût dans le cadre de la production industrielle d'un véhicule automobile.
    Il est toutefois possible d'utiliser un moteur électrique indépendant de l'alternateur pour réaliser le recalage du moteur thermique, ou un système mécanique débrayable.
    La mise en oeuvre du procédé de l'invention permet d'autre part d'obtenir une économie d'énergie, du fait qu'on récupère de l'énergie de charge de la batterie, pendant le freinage du moteur thermique, lors de son arrêt. En outre, l'obtention de la position idéale d'arrêt du moteur est obtenue plus rapidement que lorsqu'on effectue un recalage consécutif à l'arrêt du moteur. Cependant, la mise en oeuvre du procédé de l'invention est relativement complexe et nécessite l'utilisation de moyens de calcul et de commande d'une assez grande complexité.
    L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits.
    C'est ainsi qu'on peut utiliser à la place d'un alternateur réversible, un ensemble constitué par un alternateur et un moteur.
    On peut utiliser une machine électrique de tout type à alimentation continue ou alternative.
    L'invention s'applique à tout moteur thermique et en particulier aux moteurs thermiques assurant la traction des véhicules automobiles.

    Claims (9)

    1. Procédé de positionnement des organes mobiles (2, 3, 4) d'un moteur thermique (6), dans une position d'arrêt du moteur (6) facilitant le démarrage, le moteur (6) comportant au moins un piston (2) mobile de manière alternative dans un cylindre, relié à un vilebrequin (4) par une bielle (3) entraínant le vilebrequin (4) en rotation autour d'un axe (5), dans lequel on règle la position angulaire du vilebrequin (4) autour de son axe de rotation (5), pour le placer dans une position angulaire (Pm) prédéterminée, à l'aide d'une machine tournante électrique (10) reliée en rotation au vilebrequin (4), caractérisé par le fait qu'on freine le moteur thermique (6) à l'aide de la machine tournante électrique (10), pendant l'arrêt du moteur thermique (6), de manière qu'au moment de l'arrêt complet du moteur thermique (6), le vilebrequin (4) se trouve dans sa position angulaire (Pm) prédéterminée.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on module le freinage du moteur thermique (6) en fonction de la vitesse de rotation du moteur thermique (6) mesurée pendant l'arrêt du moteur thermique (6).
    3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on réalise un freinage continu du moteur thermique (6) en exerçant un couple résistant sur le vilebrequin (4) lorsque la vitesse du moteur thermique (6) est comprise entre une vitesse prédéterminée (N1) inférieure à la vitesse de ralenti (Nr) du moteur et la vitesse de ralenti, et qu'on réalise un freinage périodique du moteur, lorsque sa vitesse est inférieure à la vitesse (N1) prédéterminée inférieure à la vitesse de ralenti, le freinage du moteur étant réalisé au cours de périodes où le vilebrequin est dans une zone d'arrêt s'étendant de part et d'autre de la position angulaire prédéterminée (Pm).
    4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on module le freinage périodique du moteur dans la zone angulaire d'arrêt du vilebrequin (4) en rendant le couple résistant de la machine électrique (10) maximal dans la position angulaire prédéterminée (Pm) du vilebrequin (4).
    5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'après l'arrêt complet du moteur thermique (6), on effectue un recalage statique de position du vilebrequin (4), en utilisant la machine tournante électrique comme moteur.
    6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'on mesure la position angulaire du vilebrequin (4) du moteur, qu'on compare cette position angulaire à la position angulaire prédéterminée (Pm) et qu'on élabore à partir du résultat de la comparaison, un signal de commande de la machine tournante électrique (10) pour réaliser l'une au moins des fonctions de freinage et de recalage du moteur thermique (6).
    7. Dispositif de positionnement des organes mobiles (2, 3, 4) d'un moteur thermique (6), dans une position d'arrêt du moteur (6) facilitant le démarrage, le moteur thermique (6) comportant au moins un piston (2) mobile de manière alternative dans un cylindre, relié à un vilebrequin (4) par une bielle (3) entraínant le vilebrequin en rotation autour d'un axe (5), caractérisé par le fait qu'il comporte une machine électrique tournante (10) reliée en rotation au vilebrequin (4) du moteur thermique (6) et des moyens de commande électronique (9, 23) de la machine électrique (10) pour freiner et arrêter le moteur thermique (6) avec son vilebrequin dans une position angulaire prédéterminée (Pm).
    8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que la machine tournante électrique (10) est un alternateur réversible pouvant fonctionner en alternateur ou en moteur.
    9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé par le fait que les moyens de commande de la machine tournante électrique (10) comportent des moyens de comparaison de la vitesse du moteur à des valeurs prédéterminées et des moyens de commande du freinage du moteur thermique (6) par la machine tournante électrique (10) en fonction des résultats de la comparaison de la vitesse du moteur et des valeurs prédéterminées.
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