EP3094842B1

EP3094842B1 - Procédé de commande d'un thermostat piloté

Info

Publication number: EP3094842B1
Application number: EP14827828.6A
Authority: EP
Inventors: Christophe Piard; Stephane Ruby; Christophe VIEL
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2034-12-12
Also published as: FR3016400B1; JP6552508B2; JP2017503112A; FR3016400A1; WO2015107278A1; EP3094842A1

Description

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION

La présente invention concerne de manière générale le refroidissement du moteur d'entraînement dans un véhicule automobile.
Elle concerne plus particulièrement un procédé de commande d'un thermostat piloté d'un circuit de refroidissement d'un moteur thermique d'entraînement d'un véhicule.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE

Les véhicules automobiles sont classiquement équipés d'un système de refroidissement de leur moteur d'entrainement (par exemple, un moteur à combustion interne).
Un tel système de refroidissement comprend en général au moins un radiateur ayant pour fonction de refroidir un liquide transporté par des conduites entre le radiateur et un circuit de refroidissement interne au moteur.
D'autres éléments peuvent en outre être reliés au circuit externe de refroidissement formé par le radiateur et les conduites, tels que par exemple un aérotherme, un turbocompresseur ou un échangeur eau-huile.
Le circuit de refroidissement peut en outre comprendre un thermostat piloté par un élément chauffant, comme cela est décrit dans DE10318355-A1 .
Afin de pouvoir commander le fonctionnement de l'ensemble de ces éléments dans des plages de paramètres prédéfinies, notamment en ce qui concerne la température du liquide de refroidissement, il est souhaitable de connaître cette température, dans l'idéal en différents points du système.
US2005/006487-A1 décrit un circuit de refroidissement comportant plusieurs capteurs de mesure de la température du liquide transporté.
L'utilisation d'une pluralité de capteurs entraîne toutefois un coût non-négligeable et on se limite ainsi fréquemment à un seul capteur de température, positionné par exemple en sortie du moteur, comme le décrit EP0731261 -A1 , ce qui est préjudiciable à une commande précise de l'ensemble du système.

OBJET DE L'INVENTION

Dans ce contexte, la présente invention propose un procédé selon la revendication 1.

DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION

La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :

la figure 1 représente schématiquement les éléments principaux d'un système de refroidissement d'un moteur à combustion interne ;
les figures 2a et 2b représente schématiquement un thermostat piloté utilisé dans le système de la figure 1 ;
la figure 3 représente un exemple d'un système de pilotage d'un tel thermostat ;
les figures 4a et 4b présentent des éléments d'un exemple de modèle utilisé pour évaluer la course du thermostat piloté ;
la figure 5 représente un exemple de module d'évaluation de la course du thermostat piloté ;
la figure 6 présente les échanges de chaleur impliqués dans le système de refroidissement au niveau du thermostat piloté et du moteur ;
la figure 7 représente un exemple de module d'évaluation de la température du liquide de refroidissement au niveau du thermostat piloté conforme aux enseignements de l'invention.

La figure 1 représente les éléments principaux d'un système de refroidissement d'un moteur à combustion interne 2 d'un véhicule automobile. Ce moteur est ici un moteur à allumage par compression (Diesel). En variante, il pourrait s'agir d'un moteur à allumage commandé (Essence).
On a représenté en pointillés sur la figure 1 des éléments qui sont présents conformément à certaines variantes de mise en œuvre de l'invention.
Le système de refroidissement comprend un radiateur 6, monté par exemple à l'avant du véhicule automobile afin de recevoir le flux d'air généré par le déplacement du véhicule, et un aérotherme 8 qui permet le chauffage de l'habitacle du véhicule.
Le moteur à combustion interne 2 est parcouru par un liquide de refroidissement qui assure son fonctionnement à une température de consigne donnée comme expliqué ci-après.
En sortie du moteur 2, le liquide de refroidissement (chauffé par le moteur 2) est transporté par des conduites jusqu'au thermostat 4 d'une part, jusqu'au radiateur 6 et jusqu'à l'aérotherme 8 d'autres parts. Après refroidissement dans ces éléments, le liquide de refroidissement est transporté par des conduites jusqu'au moteur 2 pour refroidissement de celui-ci.
Le liquide de refroidissement est transporté du moteur 2 (en sortie) au moteur 2 (en entrée) à travers le thermostat 4 de façon permanente de sorte que le thermostat 4 soit toujours en contact avec un flux de liquide de refroidissement quelque soit l'état du thermostat 4 (ouvert ou fermé).
Le système de refroidissement peut éventuellement comprendre en outre un échangeur eau-huile 12 qui reçoit en entrée le liquide de refroidissement issu du moteur 2. Après avoir traversé l'échangeur eau-huile 12, le liquide de refroidissement est réinjecté dans le circuit décrit ci-dessus, par exemple au niveau du thermostat 4. L'utilisation de l'échangeur eau-huile n'entre pas dans le cadre de la présente invention et ne sera donc pas décrit en détail ici.
Le liquide de refroidissement est toutefois transporté du radiateur 6 au moteur 1 à travers une vanne thermostatique ou thermostat 4 qui régule la quantité de liquide de refroidissement refroidi (issue du radiateur 6) à injecter en entrée du moteur 1 afin d'obtenir la température souhaitée de fonctionnement du moteur, comme expliqué ci-après.
De même, le liquide de refroidissement en sortie du moteur 2 peut être utilisé pour réguler la température au sein d'un turbocompresseur 14 alimenté pour ce faire en liquide de refroidissement par une dérivation du circuit liant le moteur 2 et l'aérotherme 8.
Un capteur de température 10 est par ailleurs monté dans les conduites de liquide de refroidissement situées en sortie du moteur 2 afin de mesurer la température Ts du liquide de refroidissement en sortie du moteur 2.
Dans le présent exemple de réalisation, on ne prévoit pas de moyen de mesure de la température du liquide de refroidissement en entrée du moteur 2 (température T_E), ou au niveau du thermostat 4 (température T₄). En variante, comme expliqué ci-après, on pourrait au contraire prévoir d'utiliser un capteur de température dans le circuit de refroidissement à proximité de l'entrée du moteur afin de mesure la température T_E ou au niveau du thermostat 4 afin de mesurer la température T₄.
Les figures 2a et 2b représentent le thermostat 4 dans deux positions distinctes de fonctionnement, respectivement une première position dans laquelle le thermostat ferme la conduite reliant le radiateur 6 au moteur 2 et une seconde position dans laquelle le thermostat ouvre cette conduite.
Le thermostat 4 comprend une tige (ou "crayon") 20 sur laquelle est monté coulissant un ensemble formé d'un corps 22 en laiton et d'une soupape (ou clapet) 26. L'espace laissé libre entre le corps 22 et la tige 20 est rempli d'un matériau sensible à la chaleur, ici de la cire 24 enfermée à étanchéité dans cet espace délimité par le corps 22, la soupape 26 et la tige 20.
Le thermostat 4 est positionné dans la conduite reliant le radiateur 6 au moteur 2 de sorte que son corps 22 baigne dans le liquide de refroidissement de température T₄ à cet endroit, comme indiqué ci-dessus ; le corps 22 est donc situé à l'aval de la soupape 26 dans cette conduite.
Lorsque la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat 4 est inférieure à un seuil prédéterminé (défini par la conception du thermostat), et notamment à froid (lorsque le moteur 2 est à l'arrêt), la cire 24 est solide et la soupape 26 occupe la position illustrée en figure 2a dans laquelle elle obstrue la conduite : le liquide de refroidissement issu du radiateur 6 n'est donc pas injecté dans le circuit de refroidissement du moteur 2 et ne participe donc pas à son refroidissement.
Lorsque la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat 4 atteint, voire dépasse, le seuil précité, du fait notamment du chauffage du liquide de refroidissement par le moteur 2 et de l'absence de refroidissement par le liquide de refroidissement issu du radiateur 6, la cire 24 fond et se dilate, ce qui provoque l'augmentation du volume situé entre le corps 22 et la tige 20, de sorte que le corps 22 et la tige 20 sont contraints de s'éloigner, entraînant le déplacement de la soupape 26 et l'ouverture du thermostat 4.
Du liquide de refroidissement issu du radiateur 6 (refroidi par celui-ci) est ainsi injecté dans le circuit de refroidissement du moteur 2 et participe donc au refroidissement du moteur.
On obtient ainsi une régulation mécanique de la température du liquide de refroidissement.
Un ressort de rappel (non représenté) est en général prévu pour faciliter le retour de la soupape 26 vers sa position fermée lorsque la température T₄ du liquide de refroidissement diminue et que la cire refroidit et se contracte.
Le thermostat 4 comprend également une résistance électrique (non représentée), installée par exemple à l'intérieur de la tige 20 et connectée électriquement à une électrode 28.
L'application d'une tension V à l'électrode 28 fait passer un courant dans la résistance qui libère de la chaleur par effet Joule et accélère donc la montée en température de la cire 24. Le thermostat 4 s'ouvrira de ce fait plus rapidement qu'en l'absence de chauffage par la résistance, c'est-à-dire pour une température T₄ de liquide de refroidissement inférieure au seuil précité.
L'utilisation du chauffage de la cire 24 (ici au moyen de la résistance) permet ainsi d'abaisser artificiellement la température de régulation du liquide de refroidissement du moteur 2 : le thermostat 4 est un thermostat piloté.
L'application continue d'une tension nominale V₀ (tension utile maximale) permet d'obtenir la génération par la résistance d'une puissance calorifique maximale (qui dépend de la conception du thermostat). Une puissance calorifique inférieure à la puissance calorifique maximale peut être obtenue en appliquant la tension nominale V₀ sur une proportion seulement de la période de temps considérée (principe de la modulation par largeur d'impulsions ou PWM de l'anglais "Pulse Width Modulation") : on considère dans la suite que l'on applique dans ce cas une tension utile V inférieure à la tension nominale V₀.
La figure 3 représente un exemple d'un système de pilotage du thermostat 4 conforme aux enseignements de l'invention.
Le système de pilotage de la figure 3 comprend plusieurs modules, représentés ici sous forme fonctionnelle. Plusieurs modules fonctionnels peuvent toutefois en pratique être mis en œuvre par une même unité de traitement programmée pour effectuer les traitements affectés respectivement à ces modules fonctionnels. Cette unité de traitement est par exemple un calculateur 30 de commande du moteur (ou ECU de l'anglais "Engine Control Unit") équipant le véhicule, ou une unité de traitement dédiée au pilotage du thermostat 4.
Quoiqu'il en soit de l'architecture physique du système de pilotage du thermostat, une information de charge C (exprimée en N.m) et une information de régime moteur N (exprimée en tr/min), représentatives du fonctionnement du moteur 2, sont disponibles au sein du calculateur 30.
Ces informations C, N sont transmises d'une part à un module 32 de détermination d'une consigne en température T_C et d'autre part à un module 36 d'évaluation de la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat 4.
Le module de détermination de consigne 32 élabore la consigne en température T_C en fonction du régime moteur N et de la charge C sur la base d'une cartographie mémorisée dans l'unité de traitement qui met en œuvre le module 32. Autrement dit, le module 32 est conçu pour déterminer la consigne en température T_C par lecture d'une valeur associée aux valeurs de régime moteur N et de charge C reçues du calculateur 30 dans une table de correspondance (cartographie) mémorisée dans l'unité de traitement concernée.
Le module de détermination de consigne 32 génère par exemple des consignes T_C comprises entre 90 °C et 110 °C adaptées aux différentes conditions de fonctionnement du moteur 2 rencontrées (représentées par la charge C et le régime-moteur N). En pratique, la consigne T_C peut prendre un ensemble discret de valeurs, par exemple 90 °C, 100 °C ou 110 °C.
La consigne en température T_C générée par le module de détermination de consigne 32 est transmise à un module de régulation 34, qui reçoit également la température T_s du liquide de refroidissement en sortie du moteur mesurée par le capteur de température 10.
Sur la base de la température mesurée T_s et de la consigne en température Tc, le module de régulation 34 détermine la tension utile brute V_R à appliquer à l'électrode du thermostat piloté 4 afin de faire converger la température du liquide de refroidissement vers la consigne Tc.
La loi de régulation appliquée par le module de régulation 34 pour déterminer la tension utile brute V_R en fonction de la température mesurée T_s et de la température de consigne T_C dépend de l'application envisagée.
Par exemple, on peut envisager ce qui suit dans le cas indiqué ci-dessus où la consigne T_C peut prendre un ensemble discret de valeurs :

lorsque la consigne T_C est égale à 110 °C (régulation haute température), la tension utile brute V_R est égale à 0 V, c'est-à-dire que la résistance de chauffage de la cire n'est pas utilisée et que la régulation de la température du liquide de refroidissement est réalisée mécaniquement par le thermostat (dont la conception est ici prévue pour une régulation à 110 °C) ;
lorsque la consigne T_C est strictement inférieure à 110 °C (régulation basse température), et donc égale à 90 °C ou à 100 °C dans le cas décrit ici, la tension utile brute V_R est par exemple déterminée en fonction de l'erreur en température (Ts-Tc) selon un mécanisme de régulation PI (proportionnel-intégral).

La tension utile brute V_R générée par le module de régulation 34 est transmise à un module de correction 40 dont le fonctionnement sera décrit plus loin.
Le module 36 d'évaluation de la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat 4 reçoit en entrée la température T_s mesurée par le capteur de mesure 10 et une valeur estimée L de course du thermostat 4, ainsi que, comme déjà indiqué, les informations de charge C et de régime moteur N représentatives du fonctionnement du moteur 2.
La valeur estimée L de course du thermostat 4 est produite comme expliqué plus en détail ci-dessous par un module 38 destiné à cet effet.
Sur la base de ces informations reçues en entrée, le module 36 évalue la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat 4, par exemple selon le procédé décrit en détail ci-dessous en référence aux figures 6 et 7.
Comme déjà indiqué, selon une variante envisageable, le module 36 pourrait être remplacé par un capteur de température immergé dans le liquide de refroidissement au niveau du thermostat 4.
Le module d'évaluation de course 38 déjà mentionné reçoit en entrée la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat (produite par le module d'évaluation 36 dans l'exemple décrit) et la valeur de tension utile effectivement appliquée au thermostat piloté 4 (valeur utile corrigée Vc générée par le module de correction 40 comme expliqué ci-après).
Sur la base de ces informations reçues en entrée, le module 38 évalue la course L de déplacement relatif de la tige 20 et du corps 22, ce qui donne une estimation de la proportion d'ouverture du thermostat 4. L'évaluation effectuée par le module 38 est par exemple réalisée par la mise en œuvre d'un modèle numérique, comme décrit ci-dessous en référence aux figures 4a, 4b et 5. En variante, cette évaluation peut être réalisée par lecture de la course L associée, dans une table de correspondance préenregistrée, aux valeurs de température T₄ et de tension utile appliquée Vc reçues en entrée. Les valeurs préenregistrées ont par exemple dans ce cas été déterminées à l'aide d'essais préalables ou de simulations, réalisées au préalable, à l'aide du modèle numérique décrit en référence aux figures 4a, 4b et 5.
Le module 38 peut ainsi fournir une valeur L représentative de la course du thermostat 4 au module de correction 40, qui reçoit également en entrée la tension utile brute V_R calculée par le module de régulation 34 comme déjà indiqué.
Lorsque la tension utile brute V_R calculée par le module de régulation 34 est faible, voire nulle, le module de correction 40 corrige cette valeur de sorte qu'une tension utile minimale soit effectivement appliquée à l'électrode 28 du thermostat piloté 4 afin que la résistance délivre une puissance calorifique non-nulle, ce qui permet d'effectuer une préchauffe de la cire 24 à une température limite d'ouverture du thermostat 4. Ainsi, tout chauffage supplémentaire de la cire 24 (en réponse à une commande du système de pilotage en vue d'ouvrir le thermostat) aura un effet immédiat d'ouverture de la vanne.
En pratique, grâce à la connaissance de la valeur estimée L de course du thermostat 4 (reçue du module 38), le module de correction 40 peut déterminer quelle proportion d'ouverture du thermostat 4 est produite par la valeur de tension utile effectivement appliquée. Si le module de correction 40 constate la fermeture du thermostat 4 (c'est-à-dire si L=0), il génère en sortie une valeur de tension utile corrigée Vc légèrement supérieure à celle précédemment appliquée, jusqu'à constater une légère ouverture du thermostat 4 (toujours à l'aide de la valeur estimée L de course).
Naturellement, ce mécanisme d'application d'une tension minimum de préchauffage n'est maintenu que tant que la tension utile brute V_R générée par le module de régulation 34 est inférieure à cette tension minimum de préchauffage. En effet, dès lors que le module de régulation 34 commande une tension utile brute V_R supérieure à la tension minimum de préchauffage, cette tension utile brute V_R est appliquée telle quelle par le module de correction 30 à l'électrode 28 du thermostat piloté 4 (on a dans ce cas Vc = V_R).
Le module de correction 40 provoque également une limitation de la tension utile appliquée Vc (et donc de la puissance calorifique délivrée par la résistance par effet Joule) de telle sorte que l'application de cette tension Vc ne provoque pas un chauffage supérieur à celui entraînant une ouverture totale du thermostat 4 (c'est-à-dire une course L égale à la course maximale L_max). Un chauffage supplémentaire est en effet inutile ; il est en outre préjudiciable au temps de réaction du système lorsque l'on souhaite ensuite fermer le thermostat (puisque le chauffage supplémentaire de la cire 24 rend plus long son refroidissement, puis éventuellement sa solidification).
En pratique, lorsque la valeur L de la course du thermostat 4 reçue par le module de correction 40 atteint la course maximale L_max, le module de correction 40 applique au thermostat piloté 4 une tension utile Vc qui ne dépend pas de la tension utile brute V_R reçue du module de régulation 34, mais qui est choisie pour maintenir la course L à sa valeur maximale L_max. On utilise par exemple pour ce faire un asservissement de la tension utile appliquée Vc de telle sorte que la course évaluée L se maintienne entre une valeur prédéterminée (ici 0,95.L_max) et la course maximale L_max. Il s'agit donc dans ce cas d'une commande en boucle fermée.
Naturellement, ce mécanisme de limitation de la tension appliquée (et donc de la puissance calorifique délivrée par la résistance) n'est maintenu que tant que la tension utile brute V_R générée par le module de régulation 34 est supérieure à cette tension limitée. En effet, dès lors que le module de régulation 34 commande une tension utile brute V_R inférieure à la tension limitée déterminée par l'asservissement décrit ci-dessus, cette tension utile brute V_R est appliquée telle quelle par le module de correction 30 à l'électrode 28 du thermostat piloté 4 (on a dans ce cas V_C = V_R).
On peut prévoir également, en complément de la limitation ci-dessus, que le module de correction 40 provoque une limitation de la tension effectivement appliquée Vc en fonction de la course L reçue en entrée pour une plage de valeurs de cette course L.
En effet, pour certains types de thermostats pilotés, il est contre-indiqué de commander une puissance de chauffage importante dans certaines positions d'ouverture du thermostat car le chauffage risque alors d'endommager les joints qui assurent l'étanchéité entre la tige et l'ensemble corps-soupape.
L'unité de traitement qui met en œuvre le module de correction 40 mémorise pour ce faire une table de correspondance qui indique la tension utile maximum autorisée V_max en fonction de la course L du thermostat. Ces données sont par exemple fournies par le fabriquant du thermostat.
Le module de correction 40 lit donc à chaque instant la tension utile maximum autorisée V_max dans la table en fonction de la valeur L de course reçue du module d'évaluation 38 et détermine ainsi la tension utile corrigée à appliquer :

si V_R est inférieur à V_max, Vc = V_R ;
si V_R est supérieur (ou égal) à V_max, V_C = V_max.

Pour la simplification de l'exposé, on ne tient pas compte dans le paragraphe qui précède la limitation additionnelle éventuelle de la tension utile appliquée en vue d'éviter un échauffement trop important de la cire, comme proposé ci-dessus.
On comprend qu'en dehors des situations décrites ci-dessus, le module de correction 40 applique au thermostat piloté 4 une tension utile Vc égale à la tension utile brute V_R reçue en entrée en provenance du module de régulation 34.
On remarque qu'en pratique, l'application d'une tension utile donnée au thermostat 4 est réalisée en appliquant une tension nominale V₀ pendant une proportion du temps total telle que l'on génère une puissance électrique égale à celle qu'on aurait obtenue par application continue de la tension utile recherchée (conformément au principe de module en largeur d'impulsion ou PWM de l'anglais "Pulse Width Modulation"), comme déjà expliqué plus haut.
La figure 4a présente le modèle utilisé dans l'exemple décrit ici pour simuler le comportement thermique des différentes parties du thermostat piloté 4 en vue d'évaluer sa course comme expliqué plus loin.
Dans ce modèle, chaque partie du thermostat piloté 4 est représenté par sa masse, sa capacité thermique massique et sa température (que l'on considère uniforme sur l'ensemble de la partie concernée) ; on définit ainsi :

la masse m₂₂, la capacité thermique massique C22 et la température T₂₂ du corps 22 ;
la masse m₂₄, la capacité thermique massique C24 et la température T₂₄ de la cire 24 ;
la masse m₂₀, la capacité thermique massique C₂₀ et la température T₂₀ de la tige 20.

On considère par ailleurs que ces différents éléments, ainsi que le liquide de refroidissement, sont séparés par des interfaces caractérisées chacune par un coefficient de transfert thermique surfacique et une surface, ce qui permet de définir :

un coefficient de transfert h₁ et une surface S₁ pour l'interface entre la tige 20 et la cire 24 ;
un coefficient de transfert h₂ et une surface S₂ pour l'interface entre la cire 24 et le corps 22 ;
un coefficient de transfert h₃ et une surface S₃ pour l'interface entre le corps 22 et le liquide de refroidissement à la température T₄.

Les échanges calorifiques sont donc modélisés comme suit :

la résistance chauffe la tige par effet Joule en lui apportant une puissance thermique P_J (directement liée à la tension utile Vc appliquée au thermostat piloté 4) ;
un échange de chaleur a lieu entre la tige 20 et la cire 24 de puissance E₁ = h₁.S₁.(T₂₀-T₂₄) (comptée positivement pour un transfert de chaleur de la tige 20 vers la cire 24) ;
un échange de chaleur a lieu entre la cire 24 et le corps 22 de puissance E₂ = h₂.S₂.(T₂₄-T₂₂) (comptée positivement pour un transfert de chaleur de la cire 24 vers le corps 22) ;
un échange de chaleur a lieu entre le corps 22 et le liquide de refroidissement de puissance E₃ = h₃.S₃.(T₂₂-T₄) (comptée positivement pour un transfert de chaleur du corps 22 vers le liquide de refroidissement).

En faisant un bilan de chaleur pour chaque partie du thermostat, on obtient les équations suivantes qui lient les températures T₂₀, T₂₂, T₂₄ des différentes parties et la variation ΔT₂₀, ΔT₂₂, ΔT₂₄ de chacune de ces températures dans le temps (par seconde lorsque les puissances ci-dessus sont exprimées en W) : $m_{20} . C_{20} . {ΔT}_{20} = P_{J} - E_{1} = P_{J} + h_{1} . S_{1} . (T_{24} - T_{20})$
$m_{24} . C_{24} . {ΔT}_{24} = E_{1} - E_{2} = h_{1} . S_{1} . (T_{20} - T_{24}) + h_{2} . S_{2} (T_{22} - T_{24})$
$m_{22} . C_{22} . {ΔT}_{22} = E_{2} - E_{3} = h_{2} . S_{2} . (T_{24} - T_{22}) + h_{3} . S_{3} . (T_{4} - T_{22}) .$
Grâce à ces équations, et sur la base d'évaluations ou de mesures de la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat 4 et de la tension utile Vc appliquée au thermostat 4 (qui donne directement la puissance P_J dissipée par la résistance placée dans le thermostat 4), il est possible de déterminer à chaque instant l'évolution des températures des différentes parties du thermostat. Pour l'initialisation du système, on peut considérer qu'au démarrage (la résistance étant inactive dans les instants précédents), la température est homogène dans le thermostat 4 et vaut la température du liquide de refroidissement : on choisit les valeurs initiales de T₂₀, T₂₂, T₂₄ comme égales à celle T₄ du liquide de refroidissement.
On connaît donc en particulier la température T₂₄ de la cire 24 qui permet d'obtenir directement la valeur L de course du thermostat, par exemple au moyen d'une table de correspondance qui indique la relation entre ces deux grandeurs, comme illustré par exemple en figure 4b. Ces données (relation entre la température T₂₄ de la cire et la course L du thermostat) sont par exemple déterminées par des essais préalables ; elles peuvent être fournies par le fabriquant du thermostat.
De même, lorsque les caractéristiques des différentes parties du thermostat (masse, capacité calorifique) et des interfaces (surface, coefficient de transfert) ne sont pas connues, il est possible de les déterminer par des essais préalables ou à l'aide de courbes expérimentales de fonctionnement du thermostat : on adapte les caractéristiques des différentes parties et des interfaces de sorte que des résultats ou des courbes équivalents, déterminés grâce au modèle, correspondent aux résultats d'essais ou aux courbes expérimentales. (On remarque qu'il suffit dans ce cas de déterminer les produits m₂₀.C₂₀, m₂₂.C₂₂, m₂₄.C₂₄ et h₁.S₁, h₂.S₂, h₃.S₃, et non chaque caractéristique séparément.)
La figure 5 représente un exemple de module 38 d'évaluation de la course du thermostat piloté qui utilise le modèle qui vient d'être décrit. Ce module est par exemple mis en œuvre au sein d'une unité de traitement qui mémorise notamment la table de correspondance reliant les valeurs de température de cire T₂₄ et de course L du thermostat.
Le module 38 reçoit en entrée la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat 4 (évaluée par un module dédié, telle que le module 36 visible en figure 3 et décrit ci-dessous en référence à la figure 7, ou mesurée par un capteur de température) et la valeur de tension utile Vc appliquée au thermostat 4.
Le module 38 comprend une unité 102 de mémorisation de la valeur instantanée d'évaluation de la température T₂₂ du corps 22, une unité 104 de mémorisation de la valeur instantanée d'évaluation de la température T₂₄ de la cire 24 et une unité 106 de mémorisation de la valeur instantanée d'évaluation de la température T₂₀ de la tige 20. Comme indiqué ci-dessus, au début du processus d'évaluation, ces unités sont initialisées avec la valeur T₄ de température du liquide de refroidissement reçue en entrée.
Chaque itération du processus débute par une estimation des nouvelles valeurs T₂₀ et T₂₂ de température respectivement de la tige 20 et du corps 22. On procède ainsi car ces éléments sont proches des sources de chaleur et leur température est susceptible d'évoluer depuis la précédente itération.
Pour ce faire, le module 38 détermine l'évolution ΔT₂₀ de la température T₂₀ de la tige 20 au cours d'une itération sur la base des valeurs instantanées T₂₀, T₂₄ de température et de tension utile Vc (reçue en entrée) comme suit.
Un soustracteur 148 reçoit la valeur instantanée T₂₀ de l'unité 106 et la soustrait à la valeur instantanée T₂₄ reçue de l'unité 104. La valeur générée par le soustracteur 148 est multipliée par h₁.S₁ au sein d'un multiplicateur 150. On somme ensuite, au moyen d'un additionneur 152, la valeur obtenue en sortie du multiplicateur 150 et la puissance P_J générée par la résistance, déterminée en fonction de la tension utile Vc appliquée à la résistance au moyen d'une unité de conversion 108.
La sortie de l'additionneur 152 est multipliée par 1/(m₂₀.C₂₀) au sein d'un multiplicateur 154 afin d'obtenir l'évolution ΔT₂₀ recherchée (conformément à la formule donnée ci-dessus).
La sortie du multiplicateur 154 (évolution ΔT₂₀) est ajoutée à la valeur instantanée T₂₀ par un additionneur 156, ce qui permet d'obtenir en sortie de l'additionneur 156 la nouvelle valeur instantanée d'évaluation de la température T₂₀ de la tige 20, qui sera utilisée par l'unité 106 à l'itération suivante (après passage dans ce but à travers un retardateur 116).
De même, le module 38 détermine l'évolution ΔT₂₂ de la température T₂₂ du corps 22 au cours d'une itération sur la base des valeurs instantanées T₄ (reçue en entrée), T₂₂, T₂₄ de température comme suit.
Un soustracteur 120 reçoit la valeur instantanée T₂₂ de l'unité 102 et la soustrait à la valeur instantanée T₄ reçue en entrée ; de même, un soustracteur 122 reçoit la valeur instantanée T₂₂ de l'unité 102 et la soustrait à la valeur instantanée T₂₄ reçue de l'unité 104. Les valeurs générées par les soustracteurs 120, 122 sont respectivement multipliées par h₃.S₃ au sein d'un multiplicateur 124 et par h₂.S₂ au sein d'un multiplicateur 126, puis sommées par un additionneur 128. La sortie de l'additionneur 128 est multipliée par 1/(m₂₂.C₂₂) au sein d'un multiplicateur 130 afin d'obtenir l'évolution ΔT₂₂ recherchée (conformément à la formule donnée ci-dessus).
La sortie du multiplicateur 130 (évolution ΔT₂₂) est ajoutée à la valeur instantanée T₂₂ par un additionneur 132, ce qui permet d'obtenir en sortie de l'additionneur 132 la nouvelle valeur instantanée d'évaluation de la température T₂₂ du corps 22, qui sera utilisée par l'unité 102 à l'itération suivante (après passage dans ce but à travers un retardateur 112).
Le module 38 détermine l'évolution ΔT₂₄ de la température T₂₄ de la cire 24 au cours d'une itération (ici d'une durée d'une seconde) sur la base des valeurs instantanées T₂₀, T₂₂, T₂₄ de température comme suit. Ici, les températures T₂₀ et T₂₂ utilisées sont celles qui viennent d'être calculées comme décrit ci-dessus.
Un soustracteur 134 reçoit la valeur instantanée T₂₄ de l'unité 104 et la soustrait à la valeur instantanée T₂₂ (telle qu'elle vient d'être calculée) reçue de l'additionneur 132 ; de même, un soustracteur 136 reçoit la valeur instantanée T₂₄ de l'unité 104 et la soustrait à la valeur instantanée T₂₀ (telle qu'elle vient d'être calculée) reçue de l'additionneur 156. Les valeurs générées par les soustracteurs 134, 136 sont respectivement multipliées par h₂.S₂ au sein d'un multiplicateur 138 et par h₁.S₁ au sein d'un multiplicateur 140, puis sommées par un additionneur 142. La sortie de l'additionneur 142 est multipliée par 1/(m₂₄.C₂₄) au sein d'un multiplicateur 144 afin d'obtenir l'évolution ΔT₂₄ recherchée (conformément à la formule donnée ci-dessus).
La sortie du multiplicateur 144 (évolution ΔT₂₄) est ajoutée à la valeur instantanée T₂₄ par un additionneur 146, ce qui permet d'obtenir en sortie de l'additionneur 146 la nouvelle valeur instantanée d'évaluation de la température T₂₄ de la cire 24, qui sera utilisée par l'unité 104 à l'itération suivante (après passage dans ce but à travers un retardateur 114).
La nouvelle valeur instantanée d'évaluation de la température T24 est également transmise en entrée d'une unité 110 de conversion de la valeur de température de cire en valeur de course L du thermostat, sur la base de la table de correspondance mentionnée plus haut reliant les valeurs de température de cire et de course du thermostat.
On obtient ainsi à chaque itération une estimation de la valeur de course L du thermostat 4.
La figure 6 montre les échanges de chaleur impliqués dans le système de refroidissement au niveau du thermostat piloté et du moteur.
Comme visible en figure 1, le débit de liquide de refroidissement qui entre dans le moteur 2 et le parcourt en vue d'assurer son refroidissement est la somme du débit Qo en sortie de l'aérotherme (et éventuellement du turbocompresseur) et du débit Q(L) en sortie du thermostat, lequel dépend de la course L du thermostat.
Le réchauffement de ce flux de liquide de refroidissement dans le moteur, du fait de la puissance calorifique P(C,N) cédée par le moteur, génère l'accroissement de la température du liquide de refroidissement de sa valeur T_E en entrée à sa valeur T_s en sortie, ce qui est traduit par l'équation suivante :
P(C,N) = k.[Q₀+Q(L)].(T_S-T_E), où k est une constante caractéristique du liquide de refroidissement (k = ρ.C_P où est p la masse volumique du liquide de refroidissement et C_P sa capacité thermique massique, ou chaleur massique).
On remarque que, comme indiqué par son expression sous la forme P(C,N), la puissance calorifique cédée par le moteur dépend de son point de fonctionnement, défini par la charge C et le régime N.
On propose d'utiliser ces considérations pour évaluer la température du liquide de refroidissement T_E en entrée du moteur, puis la température du liquide de refroidissement T₄ au niveau du thermostat piloté 4 au moyen du module d'évaluation 36 déjà mentionné, par exemple comme décrit à présent.
La figure 7 représente ainsi un exemple de module d'évaluation de la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat piloté.
Ce module d'évaluation reçoit en entrée une information L représentative de la course du thermostat 4 (déterminée ici au moyen du module d'évaluation 38, dont un exemple a été décrit en référence aux figures 4a, 4b et 5), des informations relatives au point de fonctionnement du moteur, ici la charge C et le régime moteur N (fournies par exemple par l'unité de gestion du moteur ou ECU), et la température T_s du liquide de refroidissement en sortie du moteur, ici mesurée par le capteur de température 10.
L'unité de traitement qui met en œuvre le module de la figure 7 mémorise une cartographie de la puissance P(C,N) cédée au liquide de refroidissement par le moteur en fonction de la charge C et du régime-moteur N. Cette cartographie est une table qui indique les valeurs de puissance P cédée au liquide de refroidissement par le moteur respectivement associées à des couples de valeurs C, N.
Cette unité de traitement mémorise également une pluralité de valeurs Q(L) de débit de liquide de refroidissement à travers le thermostat associées respectivement aux différentes valeurs possibles pour la course L.
Ainsi, sur la base des informations reçues comme indiqué ci-dessus, un sous-module 70 détermine à chaque instant, par lecture dans la mémoire de l'unité de traitement, le débit Q(L) associé à la valeur L de course reçue en entrée et la puissance P(C,N) associée aux valeurs de charge C et de régime moteur N reçues en entrée.
Le sous-module 70 évalue ainsi, à chaque instant t, la température T_E(t) du liquide de refroidissement en entrée du moteur à l'aide du modèle décrit ci-dessus en référence à la figure 6 : T_E(t) = T_s - P(C,N)/(k.[Q₀+Q(L)]).
L'information de température T_E(t) déterminée par le sous-module 70 est appliquée à un retardateur 72, à un soustracteur 73 (qui reçoit également la sortie du retardateur 72) et à un additionneur 76. L'additionneur reçoit également la sortie du soustracteur 73 après multiplication dans un multiplicateur 75 par une constante b.
La sortie de l'additionneur 76 est appliquée à un soustracteur 78 d'une constante a, qui génère ainsi en sortie une valeur estimée de la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat 4 qui vaut à chaque instant : $T_{4} = T_{E} (t) - a + b . [T_{E} (t) - T_{E} (t - 1)] .$
L'agencement des éléments 72, 73, 75, 76, 78 qui vient d'être décrit forme ainsi un sous-module 71 qui détermine la valeur estimée de la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat 4 sur la base de la valeur estimée de la température T_E du liquide de refroidissement en entrée du moteur 2.
Dans ce sous-module 71, la correction apportée à la température T_E(t) par les termes a et b.[T_E(t) - T_E(t-1)] permet de tenir compte du fait que le thermostat se situe légèrement en amont de l'entrée du moteur dans le circuit de liquide de refroidissement et du fait que la température en entrée du moteur résulte de la combinaison de liquide de refroidissement provenant du thermostat et de liquide de refroidissement provenant de l'aérotherme.
Les constantes a et b sont déterminées par des essais préalables et peuvent être mémorisées dans l'unité de traitement qui met en œuvre le module de la figure 7. Dans le mode de réalisation décrit ici, on a par exemple a = 4 et b = 15 (pour des températures exprimées en °C ou en K).
On peut prévoir selon une variante envisageable que les paramètres a et b soient variables en fonction de la puissance thermique prélevée par l'aérotherme à l'eau. Lors des essais préalables, on détermine dans ce cas les paramètres a et b pour diverses puissances de chauffage de l'habitacle du véhicule. Lors du fonctionnement, les valeurs a et b sont alors déterminées à chaque instant en fonction de la puissance du chauffage (telle qu'indiquée par une information dédiée reçue par exemple du module de gestion du chauffage de l'habitacle).
Dans la description ci-dessus, le calcul de l'évaluation de la température T₄ du liquide de refroidissement au niveau du thermostat en fonction de l'évaluation de la température T_E du liquide de refroidissement en entrée du moteur est présentée sous forme de modules fonctionnels effectuant les différentes opérations. En pratique, ces opérations peuvent être effectuées par l'exécution d'un programme par l'unité de traitement qui met en œuvre le module de la figure 7.

Claims

Procédé de commande d'un thermostat piloté (4) d'un circuit de refroidissement d'un moteur thermique (2) d'entraînement d'un véhicule, le procédé comportant les étapes suivantes :
a) mesure de la température (T_s) du liquide de refroidissement circulant dans une première conduite du circuit de refroidissement en sortie du moteur thermique (2),

b) acquisition d'au moins une information (C, N) représentative d'un paramètre de fonctionnement du moteur thermique (2),

c) estimation de la course (L) du thermostat piloté (4) au moyen d'un modèle numérique modélisant l'échange de chaleur entre une résistance électrique du thermostat piloté et une tige (20) du thermostat piloté lors du chauffage du thermostat piloté par la résistance, l'échange de chaleur entre la tige (20) et la cire (24) du thermostat piloté, l'échange de chaleur entre la cire (24) et le corps (22) du thermostat piloté, l'échange de chaleur entre le corps (22) du thermostat piloté et le liquide de refroidissement et faisant un bilan de chaleur pour chaque partie du thermostat,

d) estimation de la température (T_E) du liquide de refroidissement circulant dans une seconde conduite du circuit de refroidissement en entrée du moteur thermique, en fonction de la température (T_s) mesurée à l'étape a), de l'information (C, N) acquise à l'étape b), et de la course (L) estimée à l'étape c), la seconde conduite étant reliée à un radiateur avec interposition du thermostat piloté, un aérotherme étant relié à la seconde coduite,

e) estimation de la température (T₄) du liquide de refroidissement au niveau du thermostat sur la base de la température (T_E) estimée dans la seconde conduite, la température (T₄) au niveau du thermostat étant obtenue sur la base de la température estimée (T_E) dans la seconde conduite par correction au moyen d'au moins un coefficient déterminé en fonction d'une puissance de chauffage de l'aérotherme,

f) génération d'une valeur de tension utile à appliquer au thermostat piloté (4) en fonction d'une consigne de température (Tc), de la température (T_s) mesurée à l'étape a) et de la course (L) estimée à l'étape c),

g) application de la tension utile (Vc) au thermostat piloté (4).