EP1752656A2

EP1752656A2 - Dispositif de démarrage d'un moteur à combustion interne, en particulier d'un moteur diesel sans bougie de préchauffage

Info

Publication number: EP1752656A2
Application number: EP06117406A
Authority: EP
Inventors: Bertrand Gessier; Claudiu Vasilescu; Michaël Chemin; Laurent Albert; Benoit Dupeux; Philippe Colacicco; Nicolas Labbe; Yohan Comorassamy; Philippe Lutz
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2007-02-14
Also published as: FR2888891A1; EP1752656A3; FR2888891B1

Abstract

L'invention concerne une procédé et un dispositif de démarrage d'un moteur diesel sans bougies de préchauffage comprenant des cylindres et des pistons définissant des chambres de combustion à l'intérieur desquelles sont admis des gaz destinés à participer à la combustion, procédé dans lequel on adopte une stratégie selon laquelle on échauffe les gaz présents dans les chambres de façon à les porter à une température minimum dans l'ensemble du volume défini par les chambres lorsque les pistons sont en position de compression maximum ou au voisinage de celle-ci.

Description

L'invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne, en particulier des moteurs Diesel de véhicules automobiles.
Elle concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif de démarrage d'un moteur à combustion interne, comprenant des cylindres et des pistons définissant des chambres de combustion à l'intérieur desquelles sont admis des gaz destinés à participer à la combustion.
On sait que les moteurs à combustion interne sont mis en fonctionnement par un démarreur électrique comportant un pignon susceptible de venir s'engrener avec une couronne dentée solidaire en rotation du vilebrequin, c'est-à-dire de l'arbre moteur. La machine électrique peut également entraîner le vilebrequin par l'intermédiaire d'une courroie face avant.
Les motoristes cherchent à diminuer le taux de compression des moteurs diesel afin de répondre aux normes antipollution de plus en plus dures.
De plus, les dispositifs de démarrage de ce type posent un certain nombre de problèmes lorsqu'il s'agit de faire démarrer un moteur, en particulier un moteur Diesel, par temps froid, spécialement lorsque la température est inférieure ou égale à -25°C.
Il est connu d'assurer un préchauffage par plusieurs bougies de préchauffage (une dans chaque chambre de combustion) fixées au niveau de la culasse du moteur. Ces bougies génèrent un point chaud dans la chambre de combustion, ce qui permet la combustion du gazole injecté, même à de très basses températures.
Toutefois, le système de préchauffage par bougies est localisé et entraîne une surconsommation de carburant au démarrage, et plus d'émissions polluantes de par la combustion non homogène et incomplète. Par ailleurs, la conception de la culasse du moteur est pénalisée par la présence des bougies de préchauffe qui occupe un espace important et perturbent la circulation des gaz à l'intérieur de la chambre de combustion. Les bougies de préchauffage représentent également un coût important.
En outre, après un démarrage à froid avec des bougies de préchauffage, le moteur à combustion interne a tendance à être très instable pendant la phase de ralenti ce qui occasionne un certain nombre de défauts comme des vibrations, du bruit, etc. Dans certains cas, le moteur peut finir par caler.
De plus, les systèmes de démarrage actuel ne permettent pas d'atteindre des vitesses d'entraînement compatibles avec un taux de compression faible.
L'invention consiste à proposer un système de démarrage performant pour les moteurs diesels à faible taux de compression.
Elle vise en particulier à procurer un procédé et un dispositif de démarrage d'un moteur de combustion interne qui sont susceptibles de faire démarrer ce moteur par temps froid, notamment à des températures inférieures ou égales à -25°C.
C'est encore un but de l'invention de procurer un tel procédé et dispositif de démarrage qui ne nécessitent pas de bougies de préchauffage dans les chambres de combustion. L'invention propose à cet effet un procédé du type défini en introduction dans lequel on adopte une stratégie selon laquelle on échauffe les gaz présents dans les chambres de façon à les porter à une température minimum, dans l'ensemble du volume défini par les chambres lorsque les pistons sont en position de compression maximum ou au voisinage de celle-ci, notamment de plus ou moins 10°.
On a effet constaté que c'est en obtenant un certain niveau de température, notamment d'environ 415°C, sensiblement dans l'ensemble de la chambre, que l'on autorise un démarrage fiable, y compris dans des conditions difficiles. Par ailleurs, la diminution du taux de compression doit s'accompagner d'une augmentation de la vitesse d'entraînement lors de la phase de démarrage afin que les gaz atteignent la température nécessaire à l'auto inflammation des gaz.
Selon un premier mode de réalisation, on couple une machine électrique, notamment un démarreur électrique, au vilebrequin du moteur pour l'entraîner en rotation à une vitesse de rotation choisie, supérieure à une vitesse de rotation normale, obtenue avec ladite machine électrique, de façon à augmenter compression de l'air admis dans les cylindres du moteur et, par conséquent, la température dans les cylindres. Il est connu que le rendement de remplissage s'améliore lorsque le régime augmente pour atteindre un optimum autour du régime de couple maximum puis rediminue jusqu'au régime maximum. Cette augmentation de la compression liée à l'augmentation de vitesse s'explique entre autre par une réduction des débits de fuite entre les pistons et les cylindres et par des échanges thermiques moins importants entre les gaz (chauds) contenus dans la chambre de combustion et les parois (froides) de cette chambre ainsi qu'une quantité d'air introduite dans le cylindre supérieure liée à une amélioration du rendement de remplissage lorsque le régime augmente. Cette augmentation de la quantité d'air admise permet en outre de produire un couple moteur supérieur en phase de démarrage pour vaincre les frottements. En effet, le travail produit par l'augmentation de pression liée à la combustion est directement lié à la quantité de carburant et d'air participant à la combustion. On notera ainsi une accélération du régime moteur supérieure pendant la phase de démarrage liée à ce travail supplémentaire produit à chaque combustion.
Alors que la vitesse moyenne de rotation d'un vilebrequin actionné par démarreur électrique est généralement de 110 tours/minute à -25°C, l'invention propose de faire fonctionner le démarreur électrique à une vitesse de rotation supérieure. Il en résulte une compression plus forte de l'air malgré un plus faible taux de compression du moteur, et des conditions de fonctionnement favorables à un démarrage par temps froid, en tout cas jusqu'à des températures de l'ordre de -25°C, car la quantité d'air admise dans les cylindres du moteur se trouve augmentée, favorisant par là même une augmentation de la température dans les cylindres. En effet, l'augmentation de la vitesse de rotation du démarreur électrique, donc du vilebrequin, se traduit par une augmentation de la vitesse linéaire des pistons dans les cylindres respectifs, conduisant à une réduction des fuites entre les pistons et les cylindres et à une diminution des pertes thermiques aux parois. Le débit de fuite est proportionnel au temps de fuite, et comme le temps de la phase compression/détente diminue lorsque le régime augmente, le débit de fuite diminue.
La vitesse de rotation choisie est avantageusement supérieure à 200 tours/minute et de préférence encore supérieure à 300 tours/minute.
Il est également possible de changer le rapport de réduction entre le rotor de la machine électrique de démarrage et le vilebrequin afin d'augmenter la vitesse de rotation du moteur, en particulier un rapport de réduction inférieur à 40/1.
Dans le cas d'un démarreur à pignon celui-ci possède un étage de réduction interne situé entre l'arbre d'induit et le pignon lanceur dont le rapport est autour de 3 et en tout cas inférieur à 4, idéalement inférieur ou égal à 3,84.
La couronne moteur possède de préférence un nombre de dents inférieur ou égal à 100.
Le taux de compression du moteur est avantageusement inférieur à 16,5. Le taux actuel de compression est d'environ 17-18 pour un moteur diesel.
Selon un autre mode de réalisation, les chambres étant alimentées en gaz destinés à participer à la combustion par un conduit commun, on préchauffe lesdits gaz au cours de leur circulation dans ledit conduit et particulièrement lors de la phase de démarrage. On pourra ainsi réduire le temps de démarrage.
Selon ce mode de réalisation, on pourra préchauffer lesdits gaz et régler simultanément leur débit.
En cumulant les deux modes de réalisation précédents on pourra préchauffer les gaz destinés à participer à la combustion et actionner ladite machine électrique à ladite vitesse de rotation choisie, en coordination.
Plus particulièrement, on pourra préchauffer lesdits gaz avant d'actionner ladite machine électrique à ladite vitesse de rotation choisie.
Cela étant, on pourra détecter des conditions de démarrage et en déduire une information relative à un "démarrage à froid" ou un "démarrage normal" et adopter ladite stratégie en fonction desdites conditions de démarrage.
Plus particulièrement, on pourra actionner la machine électrique à la vitesse choisie ou à la vitesse normale, en cas, respectivement, de conditions de "démarrage à froid" ou de "démarrage normal".
Les conditions de démarrage sont relatives, par exemple, à une différence de température (DT = TH - T ou DT = TE - T) entre la température de l'eau de refroidissement du moteur (TE) ou de l'huile de lubrification du moteur (TH) et la température de l'air extérieur ou température ambiante (T) définissent la condition de "démarrage à froid" ou la condition de "démarrage normal" selon que cette différence de température (DT) est respectivement inférieure ou supérieure à une valeur de seuil (S) donnée, notamment 5°C et que la température extérieure T est respectivement inférieure ou supérieure à une autre valeur seuil (S') donnée, notamment 0°C.
L'invention concerne encore un dispositif de démarrage du type défini en introduction, comprenant des moyens pour échauffer les gaz présents dans les chambres de façon à les porter à une température minimum dans l'ensemble du volume des chambres lorsque les pistons sont en position de compression maximum ou au voisinage de celle-ci, notamment de plus ou moins 10°.
Selon un premier mode de réalisation, lesdits moyens de préchauffage sont constitués par une machine électrique propre à entraîner le vilebrequin du moteur à une vitesse de rotation choisie, supérieure à une vitesse de rotation normale obtenue avec ladite machine électrique, de façon à augmenter la compression de l'air ainsi que la quantité d'air admise dans les cylindres du moteur et, par conséquent, la température dans les cylindres.
L'invention envisage tout particulièrement d'utiliser un démarreur électrique classique, c'est-à-dire un démarreur apte à fonctionner sous une tension électrique donnée, par exemple de 12 volts.
Le couple résistant du moteur restant sensiblement le même, il faut envisager une augmentation de la puissance du système de démarrage pour pouvoir augmenter la vitesse d'entraînement du moteur.
Les systèmes de démarrage actuels peuvent ne pas permettre d'atteindre des vitesses d'entraînement suffisantes pour démarrer un moteur à taux de compression faible. On prévoit alors de relier le démarreur électrique à un circuit électrique apte à alimenter le démarreur à partir d'une tension électrique survoltée, c'est-à-dire supérieure à la tension électrique donnée constituant la tension habituelle de fonctionnement du démarreur.
Le circuit électrique comprend avantageusement une source de tension primaire, propre à délivrer une tension nominale de valeur choisie et une source de tension survoltée propre à délivrer une tension supérieure à la tension nominale de la source de tension primaire.
Selon une première variante de réalisation, la source de tension survoltée est une batterie.
Dans un exemple de réalisation, la source de tension primaire est une première batterie propre à délivrer une tension nominale de 12 volts, tandis que la source de tension survoltée est une deuxième batterie propre à délivrer une tension nominale de 24 volts. Dans cet exemple, la source de tension survoltée de 24V peut être avantageusement réalisée par le branchement en série de la première batterie 12V avec une deuxième batterie 12V de caractéristiques sensiblement identiques.
Selon une deuxième variante, la source de tension survoltée est un super condensateur, c'est-à-dire un condensateur à double couche ou ultra capacité.
Dans un exemple de réalisation, la source de tension primaire est une première batterie propre à délivrer une tension nominale de 12 volts, tandis que le super condensateur est propre à délivrer une tension supérieure à 12 volts.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit électrique comprend un convertisseur courant continu - courant continu pour recharger la source de tension survoltée à partir de la source tension primaire. Ce convertisseur peut être réversible ou pas.
Le circuit électrique peut comprendre aussi un relais électrique propre à commander le démarreur à partir de la source de tension survoltée.
Selon une variante, ledit circuit comprend une première source de tension, pour délivrer ladite tension nominale, et une seconde source de tension ainsi que des moyens de commutation permettant d'associer lesdites sources de tension pour obtenir ladite tension survoltée.
On pourra ainsi utiliser deux batteries, par exemple de même tension, et un système de bascule permettant de placer lesdites batteries en série ou en parallèle ou encore de solliciter soit les deux batteries, soit seulement une seule, en fonction des besoins.
On essaiera d'avoir la somme de la résistances interne de la batterie et de celle du câble qui alimente la machine électrique ou la somme des résistances interne équivalentes de toutes les batteries qui participent à l'alimentation de la machine électrique lors du démarrage et de celle de tous leurs câbles inférieure ou égale à 4 mΩ. Ce qui pourra être obtenu en utilisant une grosse batterie et des câbles de gros diamètre.
Une telle configuration est particulièrement adaptée en cas de repérage des conditions de démarrage par comparaison de T et TE ou TH, comme évoqué plus haut.
On pourra encore utiliser une batterie et un super condensateur apte à être placé en série avec la batterie.
Le circuit pourra encore comprendre une batterie, unique, pour obtenir ladite tension nominale et un convertisseur courant continu - courant continu, notamment un dispositif électronique hacheur élévateur prévu entre la batterie et le démarreur, pour obtenir ladite tension survoltée.
Afin de faciliter le démarrage le boîtier de commande du démarreur modifie le schéma de branchement des différentes batteries et/ou super condensateur dudit démarreur suivant deux phases distinctes lors du démarrage proprement dit: une première phase à une tension donnée et une deuxième phase à une tension supérieure à celle de la première phase. Cette solution permet de réduire la consommation d'énergie au cours du démarrage, car la batterie se décharge moins que dans le cas où la tension délivrée est constante pendant toute la période de démarrage. Cela présente aussi l'avantage d'autoriser plus de tentatives de démarrage et donc plus de chance de succès lorsque les conditions sont difficiles. Les super condensateurs sont capables de délivrer une puissance électrique élevée mais ne peuvent pas contenir beaucoup d'énergie en regard de leur taille. Dans cette solution de démarrage en 2 phases suivant 2 tensions successives, un super condensateur de taille réduite, par exemple 300 Farads, suffit à assurer la phase dernière phase du démarrage où une vitesse élevée est requise pour atteindre la température de combustion requise dans les chambres de combustion, mais pendant un temps relativement court, par exemple 1 à 3 tours de vilebrequin. Lorsque la température du moteur est basse (inférieure à 0°C et à fortiori inférieure à -20°C), le temps de montée en pression du rail d'injection est élevé. A de telles températures, l'huile de lubrification du moteur a des performances inférieures à celles constatées lorsque le moteur est chaud (température d'eau environ 80°C). Ceci provoque une augmentation du couple résistant du moteur. Le système de démarrage entraîne donc le moteur plus lentement à basse température que lorsque le moteur est chaud. Dans de nombreux cas, la pompe de mise en pression du rail d'injection est entraînée par un système mécanique lié au vilebrequin du moteur (courroie, chaîne, train d'engrenages, etc.). Sa vitesse de rotation étant proportionnelle à celle du vilebrequin, la montée en pression à l'intérieur du rail d'injection lors du démarrage est donc plus lente à basse température, ce qui a pour effet de rallonger le temps de démarrage. Paradoxalement, il est indispensable de pouvoir entraîner le moteur le plus vite possible afin de provoquer un réchauffement des gaz dans la chambre de combustion suffisant pour provoquer la combustion du mélange et pouvoir démarrer. Au final la consommation d'énergie dépensée lors du cycle de démarrage est très élevée : en effet lors des premiers instants où le démarreur entraîne le moteur, la pression dans le rail d'injection est insuffisante pour pouvoir injecter la quantité de carburant minimum requise pour provoquer une explosion d'intensité apte à provoquer le démarrage du moteur.
La présente invention a également pour objet de diminuer l'énergie électrique consommée par le système de démarrage au début de la phase d'entraînement et tant que la pression dans le rail est insuffisante. Lorsque la pression suffisante est atteinte, le système de démarrage est alimenté sous une puissance supérieure permettant d'atteindre une vitesse de rotation du vilebrequin très élevée. Cette vitesse élevée provoque l'échauffement rapide des gaz dans la chambre de combustion et donc un démarrage en un temps très court.
Le basculement entre la première et la deuxième phase se fait lorsque la pression dans la rampe d'injection a dépassé un seuil suffisant pour permettre une première combustion dans un des cylindres afin de soutenir le démarrage. Ceci permet de conserver l'énergie au début du démarrage où le rotation est encore faible pour l'utiliser quand elle devient plus importante, on économise ainsi de l'énergie.
Dans le cas où le démarrage tarde, le basculement entre la première phase et la deuxième phase se fait lorsque la durée de la première phase d'entraînement a dépassé un certain temps. Ce système est simple et permet de démarrer sans avoir besoin de connaître la pression de la rampe d'injection.
La durée de la première phase est fonction de la température extérieure et/ou de la température du liquide de refroidissement du moteur. Dans le cas ou cette température est inférieure ou égale à -20°, la durée de la première phase est supérieure ou égale à une seconde.
Lorsque la machine de démarrage est un démarreur à pignon entraînant la couronne moteur, le basculement entre la première phase et la deuxième phase se fait lorsque la denture du pignon du démarreur a initié une pénétration axiale, partielle ou complète, dans la denture de la couronne. On évite ainsi le fraisage de la couronne.
Dans un mode de réalisation différent, le dispositif de démarrage comprend en outre ou alternativement des moyens de préchauffage aptes à préchauffer l'air d'admission et donc les gaz destinés à la combustion, lesdits moyens de préchauffage étant prévus dans le système d'admission du moteur au niveau d'un conduit alimentant simultanément l'ensemble des chambres de combustion.
Selon ce mode de réalisation, les moyens de préchauffage comprennent, par exemple, au moins une résistance électrique (R) qui pourra être intégrée dans une vanne de réglage du débit des gaz destinée à participer à la combustion, ladite vanne étant prévue au niveau dudit conduit.
On peut alors prévoir des moyens de commande pour actionner les moyens de préchauffage et le démarreur électrique en coordination. De préférence, ces moyens de commande sont aptes à actionner les moyens de préchauffage avant le démarreur électrique.
Dans une forme de réalisation, le dispositif de démarrage comprend des moyens de détection aptes à détecter des conditions de démarrage et en déduire une information relative à un "démarrage à froid" ou un "démarrage normal" et des moyens de sélection reliés aux moyens de détection pour actionner le démarreur électrique respectivement à la vitesse choisie ou à la vitesse normale.
Autrement dit, en fonction des conditions de démarrage détectées, le dispositif de l'invention permet de faire démarrer le moteur selon deux modes de fonctionnement différents.
Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels:

la figure 1 représente schématiquement un moteur à combustion interne avec une partie de ses équipements habituels, le moteur étant équipé d'un dispositif de démarrage selon l'invention;
la figure 2 représente le schéma électrique d'un circuit électrique d'actionnement du démarreur électrique dans une première variante;
la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 dans une deuxième variante du circuit électrique ;
la figure 4 est une vue analogue à la figure 1 dans une autre forme de réalisation;
la figure 5 est un organigramme des moyens de commande du dispositif de démarrage dans le cas de la forme de réalisation de la figure 4;
la figure 6 représente le cycle de démarrage en trois phases;
la figure 7 est un organigramme des moyens de commande du dispositif correspondant au démarrage en trois phases de la figure 6;
la figure 8 est un organigramme des moyens de commande du dispositif correspondant au démarrage en trois phases de la figure 6 selon une variante.

On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre un moteur à combustion interne 10, par exemple un moteur Diesel de véhicule automobile, comportant un collecteur d'admission 12 propre à admettre un flux d'air d'admission A dans les chambres de combustion (non représentées) du moteur, à partir d'un conduit d'admission 14. Le collecteur 12 et le conduit 14 constituent ensemble le système d'admission du moteur.
Le moteur 10 est refroidi par un liquide de refroidissement circulant dans un radiateur de refroidissement 16. Le moteur 10 comporte un vilebrequin 18 (ou arbre moteur) sur lequel est calée une couronne dentée 20. Le démarrage du moteur s'effectue par l'intermédiaire d'un démarreur électrique 22 comportant un moteur à courant continu entraînant un pignon denté 24 susceptible de venir s'engrener avec la couronne dentée 20 par un déplacement axial du pignon, de façon en soi connue. Le démarreur électrique 22 est un démarreur classique qui, dans l'exemple, est conçu pour être entraîné par une source de tension habituelle, telle qu'une batterie délivrant une tension nominale continue de 12 volts.
Conformément à l'invention, le démarreur électrique 22 est actionné, par des moyens qui seront décrits plus loin, pour entraîner le vilebrequin 18 à une vitesse de rotation choisie, supérieure à sa vitesse de rotation normale. Cette vitesse de rotation choisie est dans l'exemple supérieure à 200 tours/minute, et de préférence supérieure à 300 tours/minute, alors que la vitesse normale de rotation avec démarreur est habituellement de 110 tours/minute par temps froid.
Pour cela, des moyens de commande 26 (représentés schématiquement) permettent d'actionner le démarreur électrique 22 à cette vitesse de rotation choisie, au travers d'un circuit électrique 28, qui sera décrit plus loin.
Comme indiqué précédemment, le fait d'entraîner le vilebrequin 18 à une vitesse de rotation supérieure permet d'augmenter la compression de l'air admis ainsi que la quantité d'air admise dans les cylindres du moteur et, par conséquent, la température dans les cylindres, ce qui favorise le démarrage par temps froid du moteur.
Pour favoriser ce démarrage, il est avantageux aussi ou alternativement de prévoir, comme le montre la figure 1, des moyens de préchauffage 30 aptes à préchauffer l'air d'admission A. Ces moyens de préchauffage comportent avantageusement au moins une résistance électrique R. Ils sont ici disposés en amont du collecteur d'admission 12 du moteur, c'est-à-dire ici sur le conduit d'admission 14. D'autres emplacements sont possibles, par exemple à l'entrée du répartiteur d'admission du moteur, ou encore l'entrée d'air de chaque chambre de combustion du moteur.
Les moyens de commande 26 permettent d'actionner les moyens de préchauffage 30 et le démarreur électrique 22 en coordination. L'actionnement de ces moyens 26 et 30 peut se faire de façon simultanée, mais de préférence avec un décalage temporel. Il est avantageux en effet que les moyens de commande actionnent les moyens de préchauffage 30 avant le démarreur électrique 22, par exemple à l'occasion d'un ordre de déverrouillage des portes du véhicule muni du moteur à démarrer.
De ce fait, le système de préchauffage classique par bougies de préchauffage dans les chambres de combustion des cylindres peut être supprimé. Il en résulte une simplification de la culasse du moteur. De plus, il est à remarquer que le système de préchauffage 30 n'est pas plus exigeant en énergie électrique qu'un système de préchauffage classique par bougies.
On se réfère maintenant à la figure 2 qui montre un exemple de réalisation d'un circuit électrique associé au démarreur électrique, conformément à l'invention. Le démarreur électrique 22, représenté ici schématiquement par un rectangle en trait interrompu, comprend, de façon en soi connue, un moteur 32 à courant continu, un contacteur 34, une bobine d'appel 36 et une bobine de maintien 38. La bobine d'appel 36 sert à coller le contacteur 34, tandis que la bobine de maintien 38 sert à maintenir le contacteur à l'état fermé.
Le démarreur électrique 22 est relié au circuit électrique 28 mentionné précédemment, lequel comporte un câblage 40 intégrant une source de tension primaire 42 et une source de tension survoltée 44. Dans l'exemple représenté, la source 42 est une première batterie propre à délivrer une tension continue nominale de 12 volts, tandis que la source de tension survoltée 44 est une deuxième batterie qui est propre à délivrer une tension continue nominale de 24 volts. La source de tension survoltée de 24V peut être également réalisée par le branchement en série de la première batterie 12V avec une deuxième batterie 12V de caractéristiques sensiblement identiques.
Le circuit 28 comporte un contacteur de démarrage 46 propre à être actionné par une clé de contact ou une carte de contact pour le démarrage du moteur. Le contacteur 46 est alimenté par la source 42, donc par une tension de 12 volts dans l'exemple. Un relais électrique 48 est inclus dans le circuit 28 à la suite du contacteur 46 pour permettre de commander le démarreur à partir de la source de tension survoltée 44, c'est-à-dire ici en 24 volts.
Ainsi, lors d'une demande de démarrage, la fermeture du contacteur de démarrage 46 commande le relais 48 qui entraîne la commande du démarreur à partir de la source de tension survoltée 44, donc en 24 volts. Le circuit 28 permet ainsi d'alimenter le démarreur électrique 22 à une tension supérieure à la tension habituelle, ce qui lui permet d'avoir une vitesse de rotation plus élevée, comme déjà indiqué.
La source de tension survoltée 44 peut être remplacée par d'autres moyens qu'une batterie de 24 volts, à condition de pouvoir délivrer une tension supérieure à la tension nominale de la source primaire 42. Ainsi, dans une variante de réalisation, on peut utiliser un supercondensateur, c'est-à-dire un condensateur à double couche. On sait en effet que ces condensateurs disposent d'une surface active beaucoup plus élevée que les condensateurs traditionnels, d'où il résulte des valeurs de capacité très élevées. Ces supercondensateurs ont en outre l'avantage de se recharger beaucoup plus rapidement que les batteries habituelles et de fournir un courant de très forte puissance.
On se réfère maintenant à la figure 3 qui montre une variante de réalisation du circuit de la figure 2. La différence réside ici dans le fait que le circuit électrique 40 comprend en outre un convertisseur 50 du type courant continu-courant continu pour recharger la source de tension survoltée 44 à partir de la source de tension primaire 42. Ce convertisseur 50 est intercalé entre deux branches du câblage 40 qui contiennent respectivement les sources de tension 42 et 44. Ceci s'applique quel que soit le type de la source de tension survoltée 44 (batterie, supercondensateur, ou autre).
La figure 4, à laquelle on se réfère maintenant, montre une variante de réalisation du moteur et de son environnement selon la figure 1. La principale différence réside ici dans le fait que les moyens de commande 26 sont reliés à des moyens de détection pour détecter les conditions de démarrage. Plus particulièrement, ces moyens de détection comprennent un capteur de température de l'air extérieur 53 au véhicule, un capteur de température 52 propre à détecter la température de l'eau de refroidissement du moteur (TE) ou un capteur de température 54 propre à détecter la température de l'huile de lubrification du moteur (TH). En effet, comme on le verra plus loin, en fonction de l'écart entre les valeurs T et TE ou TH ainsi mesurées, il est possible de définir des conditions de démarrage différentes, à savoir une condition de "démarrage à froid" et une condition de "démarrage normal".
On se réfère maintenant à la figure 5 qui montre un organigramme de fonctionnement dans le cas du mode de réalisation de la figure 4. Les capteurs 52 et 54 sont reliés à un calculateur 56 qui calcule la différence de température DT = T - TE ou DT = T - TH. Ce calculateur est relié à un comparateur 58 qui compare la valeur DT à une valeur seuil S par exemple de 5°C et si T est inférieure à la valeur seuil S' par exemple 0°C. Deux cas peuvent alors se présenter : si la valeur DT est inférieure à la valeur de seuil S et T est inférieure à la valeur seuil S', on en déduit qu'il s'agit de conditions de démarrage à froid. En revanche, si la valeur DT est supérieure à la valeur de seuil S, ou T est supérieure à la valeur seuil S', on en déduit qu'il s'agit de conditions de démarrage normal.
Le comparateur 58 constitue ainsi des moyens de sélection qui, en fonction de la valeur de DT par rapport à S, pilote soit un démarrage à froid ou démarrage spécial 60, soit un démarrage normal 62. Dans le cas du démarrage à froid 60, les moyens de commande actionnent le démarreur électrique 22 au travers du circuit électrique 28 ainsi que les moyens de réchauffage 30, et cela en coordination comme décrit précédemment.
Dans le cas du démarrage normal 62, les moyens de commande 26 actionnent le démarreur électrique 22 dans des conditions habituelles, c'est-à-dire qu'il est alimenté par la tension nominale de la source de tension primaire 42. Autrement dit, dans ce dernier cas, la vitesse d'entraînement du vilebrequin correspond aux conditions habituelles.
La figure 6 montre l'interaction des différents éléments entre eux, la première courbe en haut représentant la tension d'alimentation du démarreur et du réchauffeur d'air dans le temps, la deuxième courbe au milieu illustre la pression dans le rail d'injection dans le temps et la courbe du bas montre en ligne pleine la vitesse du moteur et en ligne pointillée la vitesse du démarreur.
Pendant une phase 0, on préchauffe l'air, pendant la première phase (phase 1) le démarreur est alimenté sous une tension T1 (I), la tension passe ensuite à T2 (II) pendant la deuxième phase (phase 2), la tension repasse à zéro (IV) quand le moteur a démarré (III), le démarreur est coupé et il s'arrête de tourner (V).
Les tensions T1 et T2 sont sensiblement constants, néanmoins une légère baisse continue de T et/ou de T2 peut intervenir au cours du démarrage du fait de la décharge progressive de la batterie.
Suivant les cas, la stratégie de démarrage peut être différente: lorsque l'on démarre le moteur à froid la tension passe de T1 à T2 avec T2 ≥ T1, si le moteur est chaud (température de l'eau ou de l'huile supérieure à un seuil 50°C par exemple) le démarrage s'effectue de façon standard avec une tension d'alimentation sensiblement constante et sensiblement égale à 12V.
Si le véhicule est équipé d'un système "stop and start" qui permet de couper automatiquement le moteur lorsque le véhicule est à l'arrêt, les démarrages commandés par le conducteur avec la clef de contact ou le bouton de contact sont effectués avec des tension T1 et T2 alors que les redémarrages automatiques s'effectuent soit sous une tension sensiblement constante, soit avec des tension T1 et T2 où l'on fait varier la durée de la phase 0 de préchauffage et la durée de la phase 1 du démarreur à la tension T1 suivant les conditions telles que définies dans les organigramme des figures 7 et 8.
Nous allons maintenant décrire le mode de fonctionnement des moyens de commande du dispositif correspondant au démarrage en deux temps selon l'invention.
Tout d'abord, on préchauffe l'air sous une tension d'alimentation T1 (phase 0) pendant une durée qui est déterminée en fonction de la température de l'eau ou de l'huile du moteur (première étape des figures 7 et 8). La durée de la phase 1 (deuxième étape des figures 7 et 8) pendant laquelle le démarreur est mis en marche et le préchauffage est actif sous une tension T1 est ajustée par un système de commande électronique contenu ou non dans le calculateur selon deux modes possibles.
Selon le premier mode, représenté à la figure 7, la durée de l'alimentation t1 est prédéterminée en fonction de la température de l'eau ou de l'huile du moteur (plus long quand le moteur est froid) ou de la température de l'air extérieur (plus long quand la température extérieure est plus froide). Par exemple, pour une température d'air extérieur égale à 20°C, on pourra fixer la valeur de t1 à environ 0.2 secondes et la valeur de t2 à environ trois secondes et pour une température d'air extérieur égale à - 25°C, on pourra fixer la valeur de t1 à environ 1.5 secondes et la valeur de t2 à environ dix secondes.
Selon le deuxième mode représenté à la figure 8, la phase 1 dure jusqu'à que la pression de la rampe d'injection ait atteint une pression P1. P1 est la pression minimum à laquelle on peut injecter le carburant dans les cylindres concernés pour produire une explosion dans lesdits cylindres, explosion dont l'intensité est suffisante pour provoquer le démarrage du moteur. L'ordre de grandeur de P1 est de 50 à 80% de P2, P2 étant la pression de consigne en régime de ralenti stabilisé. Par exemple, si P2 est égale à 30MPa, P1 sera égal à 20MPa. Si la pression P1 n'est pas atteinte au bout d'un temps t'1 prédéterminé par exemple 10s, alors on coupe l'alimentation du réchauffeur et du démarreur.
A la fin de cette phase 1, les phases suivantes sont identiques pour les deux modes des figures 7 et 8. En phase 2, on augmente la tension d'alimentation à T2 afin d'atteindre une vitesse de rotation du vilebrequin particulièrement élevée. Le début de cette phase 2 correspond sensiblement au début de l'injection du carburant dans les cylindres. Dès que le démarrage du moteur est détecté par des moyens de mesure de la vitesse du vilebrequin, l'alimentation du démarreur est coupée tandis que celle du réchauffeur peut être prolongé, par exemple pendant un temps de l'ordre de 10 secondes à dix minutes afin de stabiliser la vitesse du ralenti. Si au bout d'un temps t2, par exemple 5s, le démarrage du moteur n'a pas été détecté le démarreur et le réchauffeur sont coupés.
Le dispositif de démarrage de l'invention présente les principaux avantages suivants :

réduction des émissions polluantes du fait que moins de carburant est utilisé,
réduction du temps de démarrage (et de préchauffage),
réduction des échecs de combustion,
réduction de l'instabilité après le démarrage et du bruit généré en conséquence,
simplification de la culasse du moteur, et
application à des moteurs à bas taux de compression.

En outre, comme déjà indiqué précédemment, les moyens de préchauffage de l'air d'admission ne réclament pas plus d'énergie électrique qu'un système par bougies de préchauffage.
L'invention trouve une application générale aux moteurs à combustion interne, et tout particulièrement aux moteurs Diesel de véhicules automobiles.

Claims

Procédé de démarrage d'un moteur diesel sans bougie de préchauffage comprenant des cylindres et des pistons définissant des chambres de combustion à l'intérieur desquelles sont admis des gaz destinés à participer à la combustion, procédé dans lequel on adopte une stratégie selon laquelle on échauffe les gaz présents dans les chambres de façon à les porter à une température minimum dans l'ensemble du volume défini par les chambres lorsque les pistons sont en position de compression maximum ou au voisinage de celle-ci.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite température minimum est d'environ 415°C.
Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel, ledit moteur comprenant un vilebrequin (18), on couple une machine électrique (22) au vilebrequin pour l'entraîner en rotation à une vitesse de rotation choisie, supérieure à une vitesse de rotation normale obtenue avec ladite machine électrique, de façon à augmenter la compression de l'air présent dans les cylindres du moteur et, par conséquent, la température dans les cylindres.
Procédé selon la revendication 3 dans lequel la vitesse de rotation choisie est supérieure à 200 tours par minute.
Procédé selon la revendication 4 dans lequel la vitesse de rotation choisie est supérieure à 300 tours par minute.
Procédé selon une des revendications précédentes, dans lequel le rapport de réduction total entre le rotor de la machine électrique (22) et le vilebrequin est inférieur à 40/1.
Procédé selon une des revendications 1 à 5, dans lequel le démarreur est à pignon et il possède un étage de réduction interne situé entre l'arbre d'induit et le pignon lanceur dont le rapport est inférieur à 4.
Procédé selon la revendication revendication précédente dans lequel la couronne moteur possède un nombre de dents inférieur ou égal à 100.
Procédé selon une des revendications précédentes, dans laquelle le taux de compression du moteur est inférieur ou égal à 16,5.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, les chambres étant alimentées en gaz destinés à participer à la combustion par un conduit commun, on préchauffe lesdits gaz au cours de leur circulation dans ledit conduit.
Procédé selon la revendication précédente dans lequel, on préchauffe lesdits gaz et on règle simultanément leur débit.
Procédé selon la revendication 3 et l'une des revendications 10 ou 11 dans le quel on préchauffe les gaz destinés à participer à la combustion et on actionne ladite machine électrique (22) à ladite vitesse de rotation choisie, en coordination.
Procédé selon la revendication 10 dans lequel on préchauffe lesdits gaz avant d'actionner ladite machine électrique à ladite vitesse de rotation choisie.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on détecte des conditions de démarrage et on déduit une information relative à un "démarrage à froid" ou un "démarrage normal" et on adopte ladite stratégie en fonction desdites conditions de démarrage.
Procédé selon les revendications 3 dans lequel on actionne la machine électrique (22) à la vitesse choisie ou à la vitesse normale, en cas, respectivement, de conditions de "démarrage à froid" ou de "démarrage normal".
Procédé selon l'une des revendications 14 ou 15 selon lequel les conditions de démarrage sont relatives:
- à une différence de température (DT = T - TE) entre la température extérieure au véhicule (T) et la température de l'eau de refroidissement du moteur (TE) ou la température de l'huile de lubrification du moteur (TH) et

- à la température extérieure (T)
définissent la condition de "démarrage à froid" ou la condition de "démarrage normal" selon que cette différence de température (DT) ou la température (T) sont respectivement inférieures ou supérieures à une valeur de seuil (S) ou (S') donnée.
Procédé de démarrage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la valeur de seuil (S) est de 5°C ou (S') est de 0°C.
Dispositif de démarrage d'un moteur diesel sans bougie de préchauffage comprenant des cylindres et des pistons définissant des chambres de combustion à l'intérieur desquelles sont admis des gaz destinés à participer à la combustion, ledit dispositif comprenant des moyens pour échauffer les gaz présents dans les chambres de façon à les porter à une température minimum dans l'ensemble du volume des chambres lorsque les pistons sont en position de compression maximum ou au voisinage de celle-ci.
Dispositif selon la revendication 18 comprenant une machine électrique (22) propre à être couplée au vilebrequin (18) du moteur pour l'entraîner en rotation, à une vitesse de rotation choisie, supérieure à une vitesse de rotation normale obtenue avec ladite machine électrique, de façon à augmenter la compression et la quantité de l'air admise dans les cylindres du moteur et, par conséquent, la température dans les cylindres.
Dispositif selon la revendication 19, dans lequel ladite machine électrique (22) est un démarreur électrique, apte à fonctionner sous au moins une tension électrique donnée, ledit démarreur étant relié à un circuit électrique (28) apte à alimenter le démarreur à partir d'une tension électrique survoltée, supérieure à la tension électrique donnée.
Dispositif selon la revendication 19, dans lequel le circuit électrique (28) comprend une source de tension primaire (42) propre à délivrer une tension nominale de valeur choisie et une source de tension survoltée (44) propre à délivrer une tension supérieure à la tension nominale de la source de tension primaire (42).
Dispositif selon la revendication 21, dans lequel la source de tension survoltée (44) est une batterie.
Dispositif selon la revendication 21, dans lequel la source de tension primaire (42) est une batterie propre à délivrer une tension nominale de 12 volts, tandis que la source de tension survoltée (44) est une batterie propre à délivrer une tension nominale de 24 volts.
Dispositif selon la revendication 22, dans lequel la source de tension survoltée (44) est un supercondensateur.
Dispositif selon la revendication 21, dans lequel la source de tension primaire (42) est une batterie propre à délivrer une tension nominale de 12 volts, tandis que la source de tension survoltée (44) est un supercondensateur propre à délivrer une tension supérieure à 12 volts.
Dispositif selon l'une des revendications 21 à 24, dans lequel le circuit électrique (28) comprend un convertisseur (50) courant continu - courant continu pour recharger la source de tension survoltée (44) à partir de la source de tension primaire (42).
Dispositif selon l'une des revendications 21 à 24, dans lequel le circuit électrique (28) comprend un relais électrique (48) propre à commander le démarreur électrique (22) à partir de la source de tension survoltée (44).
Dispositif selon la revendication 18 dans lequel ledit circuit comprend une première source de tension pour délivrer ladite tension donnée et une seconde source de tension ainsi que des moyens de commutation permettant d'associer lesdites sources de tension pour obtenir ladite tension survoltée.
Dispositif selon la revendication 18 dans lequel ledit circuit comprend une batterie, unique, pour obtenir ladite tension donnée et un convertisseur courant continu - courant continu pour obtenir ladite tension survoltée.
Dispositif selon l'une des revendications 20 à 26, caractérisé en ce que le démarrage proprement dit comprend une première phase où le démarreur est alimenté à une tension donnée et une deuxième phase où ledit démarreur est alimenté à une tension supérieure à la première.
Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le basculement entre la première et la deuxième phase se fait lorsque la pression dans la rampe d'injection a dépassé un seuil défini.
Dispositif selon la revendication 30, caractérisé en ce que le basculement entre la première et la deuxième phase se fait lorsque la durée de la première phase a dépassé un certain temps.
Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la durée de la première phase est fonction de la température extérieur et/ou de la température du liquide de refroidissement moteur.
Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lorsque la température est inférieure ou égale à -20°C, la durée de la première phase est de 1s.
Dispositif selon la revendication 30, caractérisé en ce que quand le démarreur est avec un pignon coopérant avec une couronne, le basculement entre la première et la deuxième phase se fait lorsque le pignon a commencé sa pénétration dans la denture de la couronne.
Dispositif selon l'une des revendications 18 à 26, ledit dispositif comprenant des moyens de préchauffage (30) aptes à préchauffer les gaz destinés à la combustion, dits air d'admission (A), lesdits moyens de préchauffage étant prévus au niveau d'un conduit alimentant simultanément l'ensemble des chambres de combustion.
Dispositif selon la revendication 30, dans lequel les moyens de préchauffage (30) comprennent au moins une résistance électrique (R).
Dispositif selon la revendication 31, dans lequel ladite résistance électrique (R) est intégrée dans une vanne de réglage du débit des gaz destinée à participer à la combustion, ladite vanne étant prévue au niveau dudit conduit.