FR3050487B1 - Systeme de commande pour demarrage cooperatif entre un alterno-demarreur et un demarreur de vehicule automobile - Google Patents

Systeme de commande pour demarrage cooperatif entre un alterno-demarreur et un demarreur de vehicule automobile Download PDF

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Abstract

L'invention porte principalement sur un système de commande (10) pour véhicule automobile adapté à commander un démarreur (11) muni d'un pignon apte à engrener avec une couronne d'un moteur thermique (12) pour assurer un entraînement dudit moteur thermique (12), et un alterno-démarreur accouplé avec ledit moteur thermique (12), caractérisé en ce que ledit système de commande (10) est configuré pour, lors d'une phase de démarrage dudit moteur thermique (12), piloter ledit démarreur (11) et ledit alterno-démarreur (13) de façon que ledit démarreur (11) et ledit alterno-démarreur (13) transmettent simultanément un couple audit moteur thermique (12).

Description

SYSTEME DE COMMANDE POUR DEMARRAGE COOPERATIF ENTRE UN ALTERNO-DEMARREUR ET UN DEMARREUR DE VEHICULE
AUTOMOBILE
La présente invention porte sur un système de commande pour démarrage coopératif entre un alterno-démarreur et un démarreur de véhicule automobile. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les moteurs thermiques de type diesel, mais pourrait également être utilisée avec les moteurs thermiques à essence.
De façon connue en soi, un alterno-démarreur comporte une machine électrique tournante apte à travailler de manière réversible, d'une part, comme générateur électrique en fonction alternateur, et d'autre part comme moteur électrique, notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule automobile. L'alterno-démarreur est configuré pour assurer le démarrage du moteur à chaud.
Afin de garantir les premiers démarrages à froid du moteur thermique, le véhicule embarque également un démarreur. Ce démarreur est pourvu d'un lanceur capable de transmettre une énergie de rotation au vilebrequin du moteur thermique par l'intermédiaire d'un pignon engrenant avec une couronne de démarrage du moteur thermique.
La figure 1 montre, au cours d'un démarrage, l'évolution en fonction du temps du régime du moteur thermique, du régime du démarreur, ainsi que du courant dans le démarreur respectivement pour un démarreur dimensionné de façon optimum pour un démarrage à froid (cf. courbes C1 du régime moteur, C2 du régime de l'induit du démarreur et C3 de courant dans le démarreur) et pour un démarreur dimensionné de façon optimum pour un démarrage à chaud (cf. courbes correspondantes C4 du régime moteur, C5 du régime de l'induit du démarreur, et C6 de courant dans le démarreur). Sur les figures, les régimes ont été rapportés à l'échelle du régime du vilebrequin de telle façon que le régime réel de l'induit est décalé par rapport à celui représenté sur le graphique. En effet, il existe un rapport, par exemple de l'ordre de 10, entre le régime du vilebrequin et celui de l’arbre d’entraînement du pignon du fait de la différence de nombre de dents entre le pignon et la couronne et généralement un rapport de 5 entre l’arbre lanceur et l'induit du démarreur du à un réducteur épicycloïdale soit un rapport de 50 entre l’induit du démarreur et le vilebrequin..
On s'aperçoit que, lorsque la vitesse de rotation de la couronne du moteur thermique dépasse celle de l'induit du démarreur rapportée au vilebrequin, la roue libre décroche sur des périodes longues, en sorte que le taux de transmission de puissance du démarreur vers le moteur thermique est relativement faible. Ainsi, ce taux de compression vaut environ T/4 pour le démarreur adapté aux démarrages à froid et environ T/2 pour le démarreur adapté aux démarrages à chaud du moteur thermique, où T est la période du signal de vitesse en fonction du temps.
En outre, il est à noter que la puissance maximale du démarreur est réservée pour un démarreur fonctionnant à froid et il n'est donc pas possible de l'exploiter pour minimiser le temps de réponse lors d'un redémarrage à chaud.
La présente invention vise à améliorer les performances de démarrage du moteur thermique tout en autorisant une réduction du dimensionnement du démarreur et de l'alemo-démarreur associés. A cette fin, l'invention propose un système de commande pour véhicule automobile adapté à commander un démarreur muni d'un pignon apte à engrener avec une couronne d'un moteur thermique pour assurer un entraînement dudit moteur thermique, et un alterno-démarreur accouplé avec ledit moteur thermique, caractérisé en ce que ledit système de commande est configuré pour, lors d'une phase de démarrage dudit moteur thermique, piloter ledit démarreur et ledit alterno-démarreur de façon que ledit démarreur et ledit alterno-démarreur transmettent simultanément un couple audit moteur thermique. L'invention permet ainsi, du fait de la contribution de l'alterno-démarreur, de réduire la taille et la puissance du démarreur mais aussi de l'alterno-démarreur dont le niveau de performances requis est inférieur à celui d'un alterno-démarreur démarrant seul le moteur thermique. Malgré ces réductions de dimensionnement possibles, l'invention permet d'atteindre plus rapidement le régime d'autonomie du moteur thermique.
Selon une réalisation, ledit système de commande est configuré pour piloter ledit démarreur et ledit alterno-démarreur lors d'un démarrage à froid dudit moteur thermique.
Selon une réalisation, ledit système de commande est configuré pour piloter ledit démarreur et ledit alterno-démarreur lors d'un démarrage à chaud dudit moteur thermique.
Selon une réalisation, ledit démarreur est configuré pour être piloté en boucle ouverte et en ce que ledit alterno-démarreur est configuré pour être piloté en boucle fermée.
Selon une réalisation, l'alterno-démarreur est commandé en fonction d'une loi de commande sous forme de créneaux et chaque créneau présente une amplitude qui est entre 3 et 5 fois moins importante qu'un couple du démarreur. La loi est enclenchée lors d'un changement d'état du pignon du démarreur qui passe d'un état de pignon mené à pignon menant.
Selon une réalisation, le couple généré par ledit alterno-démarreur lors de ladite phase de démarrage dépend d'un couple inertiel dudit moteur thermique.
Selon une réalisation, lors d'une première phase, ledit système de commande est configuré pour piloter ledit alterno-démarreur suivant une première loi de commande.
Selon une réalisation, la première phase correspond à une plage de rotation de 90 degrés vilebrequin pour un moteur à quatre cylindres ou à une plage de rotation de 120 degrés vilebrequin pour un moteur à trois cylindres.
Selon une réalisation, lors d'une phase de décrochage d'une roue libre dudit démarreur, ledit système de commande est configuré pour piloter ledit alterno-démarreur suivant une deuxième loi de commande.
Selon une réalisation, une commande dudit alterno-démarreur est coupée dans une phase de décélération dudit moteur thermique et pendant une phase de décrochage d'une roue libre dudit démarreur.
Selon une réalisation, lors d'une phase d'accrochage d'une roue libre dudit démarreur, ledit système de commande est configuré pour piloter ledit alterno-démarreur suivant une troisième loi de commande.
Selon une réalisation, ledit couple généré par ledit alterno-démarreur est égal à k.Jmth.d20mth/dt2, avec Jmth représentant une inertie dudit moteur thermique, 0mth correspondant à un angle de vilebrequin, t correspondant au temps, et une valeur de k variant en fonction d'une phase de fonctionnement dudit moteur thermique.
Selon une réalisation, k vaut 1 suivant la première et la deuxième loi de commande. Cela permet d'annuler virtuellement le moment d'inertie du moteur thermique vu du démarreur. On facilite ainsi à peu de frais énergétique le travail à fournir par le démarreur. En outre, cela réduit la durée de la phase de détente du moteur thermique en augmentant la croissance de la vitesse du vilebrequin.
Selon une réalisation, k vaut -2 suivant la troisième loi de commande. Cela permet de réduire la décroissance de vitesse du vilebrequin pendant la phase d'accrochage de la roue libre, de telle façon que la durée de la phase d'accrochage est réduite. L'invention a également pour objet un ensemble pour démarrer un moteur thermique comportant un démarreur, un alterno-démarreur, et un système de commande tel que précédemment défini.
Selon une réalisation, pour démarrer un moteur thermique de type diesel compris entre 2 et 2.2 Litres à quatre cylindres, ledit ensemble comporte un démarreur ayant une puissance comprise entre 1.4kW et 1.8kW et un alterno-démarreur ayant une puissance comprise entre 2 et 2.5kW. Dans l'état de l'art, le démarreur assurant le démarrage d'un tel moteur requiert une puissance supérieure comprise entre 1.8 et 2 kW. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1 déjà décrite montre, au cours d'un démarrage du moteur thermique, les courbes d'évolution temporelle du courant du démarreur ainsi que des régimes du moteur thermique et du démarreur respectivement pour un démarreur dimensionné de façon optimum pour un démarrage un froid et pour un démarreur dimensionné de façon optimum pour un démarrage à chaud du moteur thermique;
La figure 2 est une représentation schématique du système de commande selon la présente invention permettant de piloter un démarrage coopératif entre un alterno-démarreur et un démarreur de véhicule automobile;
La figure 3 montre, au cours d'un démarrage du moteur thermique, les courbes d'évolution temporelle des régimes du moteur thermique et du démarreur, de l'angle de vilebrequin, ainsi que la courbe de couple inertiel du moteur thermique à partir de laquelle est élaborée la commande en couple de l'alterno-démarreur;
La figure 4 montre des courbes d'évolution temporelle du régime du moteur thermique et du démarreur mettant en évidence le gain en efficacité au démarrage lors de la mise en œuvre de l'invention.
La figure 2 illustre de façon schématique le système de commande 10 destiné à commander en courant un démarreur 11 muni d'un pignon apte à engrener avec une couronne du moteur thermique 12 pour assurer son entraînement, ainsi qu'un alterno-démarreur 13 accouplé avec le moteur thermique. A cet effet, l'alterno-démarreur 13 est muni d'une poulie appartenant à un dispositif de transmission de mouvement à courroie entre l'alterno-démarreur 13 et le moteur thermique 12. L'alterno-démarreur 13 comporte une machine électrique tournante apte à travailler de manière réversible, d'une part, comme générateur électrique, et d'autre part comme moteur électrique, notamment pour entraîner le moteur thermique 12 lors de son démarrage.
En l'occurrence, le système de commande 10 en relation avec une batterie 14 est configuré pour commander en courant l'alterno-démarreur 13 suivant les phases de fonctionnement détectées d'accrochage et de décrochage de la roue libre notamment. Le démarreur 11 et l'alternodémarreur 13 pourront transmettre simultanément au moins temporairement un couple C au moteur thermique 12 lors d'une phase de démarrage. Le démarreur 11 est commandé en boucle ouverte tandis que l'alterno-démarreur 13 est commandé en boucle fermée. L'alterno-démarreur 13 est commandé de façon à générer, lors de la phase de démarrage, un couple dépendant du couple inertiel du moteur thermique 12, lui-même composé du produit
Jmth.d2emth/dt2
Plus précisément, le système de commande 10 pilote l'alterno-démarreur 13 de manière à produire un effet de modulation virtuelle du moment d'inertie du moteur thermique 12 perçu par le démarreur 11. La modulation du moment d'inertie est dite "virtuelle" car elle n'est pas effectuée physiquement par éloignement ou rapprochement de masse par rapport à un axe de rotation, mais par la commande spécifique faisant intervenir un terme proportionnel à d2emth/dt2
En l'occurrence, le couple généré par l'alterno-démarreur 13 est égal à k.Jmth.d20mth/dt2, avec Jmth représentant l'inertie du moteur thermique, 0mth correspondant à l'angle du vilebrequin, t correspondant au temps, et la valeur de k variant en fonction de la phase de fonctionnement du moteur thermique 12.
La figure 3 montre l'évolution, lors d'un démarrage du moteur thermique 12, du régime du moteur thermique 12 (courbe Qmth), de l'angle de vilebrequin (courbe 0mth), et du régime de l'induit du démarreur 11 (courbe Qdem). La courbe Qdem rapportée au vilebrequin se confond avec la courbe Qmth lors d'une phase d'accrochage Pacc de la roue libre, c’est-à-dire lorsque le pignon du démarreur 11 entraîne en rotation la couronne d'entraînement du moteur thermique 12 et se distingue de la courbe Qmth lors d'une phase de décrochage Pdec de la roue libre, c'est à dire lorsque la couronne du moteur thermique 12 tourne plus vite que l'induit du démarreur 11 au rapport de démultiplication près. Les phases Comp et Exp correspondent respectivement à des phases de compression et d'expansion (ou détente) du moteur thermique 12.
Le moment d'inertie Mmth du moteur thermique 12 est représenté en trait plein lors d'une phase d'accrochage Pacc et en trait discontinu lors d'une phase de décrochage Pdec. Le couple du démarreur Cdem est la résultante du couple de charge du moteur thermique 12, du couple inertiel de la machine électrique du démarreur 11, et du couple inertiel du moteur thermique 12.
Conformément à l'invention, lors d'une phase initiale Pinit d'un démarrage correspondant à une plage de rotation de 90 degrés vilebrequin pour un moteur à quatre cylindres ou 120 degrés pour un moteur à trois cylindres, le système de commande 10 pilote l'altemo-démarreur 13 suivant une première loi de commande. Selon cette première loi de commande, k vaut 1, c’est-à-dire que le couple fourni par l'alterno-démarreur 13 vaut Jmth.d20mth/dt2. On diminue ainsi virtuellement l'inertie du moteur thermique Jmth pour minimiser les besoins en couple du démarreur 11.
Puis, lors d'une phase de décrochage Pdec de la roue libre du démarreur 11, le moteur thermique est entraîné par la détente des gaz comprimés préalablement dans les cylindres partant d'une vitesse initiale des cylindres. Pendant cette phase décrochage Pdec, le système de commande 10 pilote l'alterno-démarreur 13 suivant une deuxième loi de commande. La deuxième loi de commande est la même que la première loi de commande pour diminuer virtuellement l'inertie du moteur thermique Jmth, c’est-à-dire que k vaut également 1. En variante, la deuxième loi de commande peut être différente de la première loi de commande. Dans tous les cas, la deuxième loi de commande doit diminuer l'inertie du moteur thermique Jmth.
Plus précisément, le pilotage de l'alterno-démarreur 13 suivant la deuxième loi de commande est effectué sur la période P' allant de la fin de la période initiale Pinit jusqu'au premier pic de régime du moteur thermique 12. Puis, pendant la phase P" correspondant à une phase de décélération du moteur thermique 12, le système 10 coupe temporairement la commande de l'alterno-démarreur 13. En l'occurrence, la phase P" de coupure de la commande de l'alterno-démarreur 13 commence à l'instant du premier pic de régime du moteur thermique et se termine au début de la phase d'accrochage Pacc.
Lors de la phase d'accrochage Pacc de la roue libre du démarreur 11, le système de commande 10 est configuré pour piloter l'alterno-démarreur 13 suivant une troisième loi de commande. Selon cette troisième loi de commande k vaut -2, c’est-à-dire que le couple fourni par l'alterno-démarreur vaut alors -2.Jmth d2Θmth/dt2. On triple ainsi virtuellement l'inertie du moteur thermique 12 afin de minimiser la décroissance de la vitesse du vilebrequin.
Le démarreur 11 et l'alterno-démarreur 13 pourront être ainsi commandés lors d'un démarrage à froid ou à chaud du moteur thermique 12.
Selon une autre mise en œuvre, le système pourra embarquer d'autres lois de commande suivant lesquelles k pourra être supérieur à 1 ou inférieur à -2. Cela permet de raccourcir la durée de démarrage du moteur mais présente l'inconvénient d'augmenter la consommation énergétique et d'user le mécanisme du démarreur.
Alternativement, l'alterno-démarreur 13 est commandé en fonction d'une loi de commande sous forme de créneaux. Chaque créneau présente une amplitude qui est entre 3 et 5 fois moins importante qu'un couple du démarreur 11. Ladite loi est enclenchée lors d'un changement d'état du pignon qui passe d'un état de pignon mené à pignon menant. Ce changement d'état se traduit de façon théorique sur la courbe par une discontinuité de l'accélération angulaire du vilebrequin.
Du fait de la contribution en couple de l'alterno-démarreur 13, il est possible de réduire la taille du démarreur 11 mais également celle de l'alterno-démarreur 13 dont le niveau de performances requis est inférieur à celui d'un alterno-démarreur 13 démarrant seul le moteur thermique 12.
Dans un exemple de réalisation, pour démarrer un moteur thermique 12 de type diesel compris entre 2L et 2.2Litres à quatre cylindres, on utilise un démarreur 11 ayant une puissance comprise entre 1.4kW et 1.8kW et un alterno-démarreur 13 ayant une puissance comprise entre 2 et 2.5kW. Dans l'état de l'art, le démarreur assurant le démarrage d'un tel moteur requiert une puissance supérieure comprise entre 1.8 et 2 kW.
Malgré le sous-dimensionnement des éléments d'entraînement 11 et 13, l'invention permet d'atteindre plus rapidement le régime d'autonomie du moteur thermique 12 se caractérisant par l'atteinte du troisième point mort haut (PMH#3) avec un régime moteur suffisant (supérieur à 200 tours/min). La figure 4 met ainsi en évidence que pour un démarreur 11 bobiné de 2.2kW assisté par l'alterno-démarreur 13 piloté suivant la stratégie de l'invention, le régime d'autonomie du moteur thermique peut être atteint à t1=225ms alors qu'il est atteint à t2=333ms pour un démarreur 11 bobiné de même puissance fonctionnant seul. Sur la figure 4, la courbe Idem représente le courant parcourant le démarreur 11.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de commande (10) pour véhicule automobile adapté à commander un démarreur (11) muni d'un pignon apte à engrener avec une couronne d'un moteur thermique (12) pour assurer un entraînement dudit moteur thermique (12), et un alterno-démarreur (13) accouplé avec ledit moteur thermique (12), caractérisé en ce que ledit système de commande (10) est configuré pour, lors d'une phase de démarrage dudit moteur thermique (12), piloter ledit démarreur (11) et ledit alterno-démarreur (13) de façon que ledit démarreur (11) et ledit alterno-démarreur (13) transmettent simultanément un couple audit moteur thermique (12) et en ce que l'alterno-démarreur (13) est commandé en fonction d'une loi de commande sous forme de créneaux et en ce que chaque créneau présente une amplitude qui est entre 3 et 5 fois moins importante qu'un couple du démarreur (11), ladite loi étant enclenchée lors d'un changement d'état du pignon qui passe d'un état de pignon mené à pignon menant.
  2. 2. Système de commande (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est configuré pour piloter ledit démarreur (11) et ledit alterno-démarreur (13) lors d'un démarrage à froid dudit moteur thermique (12).
  3. 3. Système de commande (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est configuré pour piloter ledit démarreur (11) et ledit alterno-démarreur (13) lors d'un démarrage à chaud dudit moteur thermique (12).
  4. 4. Système de commande (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit démarreur (11) est configuré pour être piloté en boucle ouverte et en ce que ledit alterno-démarreur (13) est configuré pour être piloté en boucle fermée.
  5. 5. Système de commande (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le couple généré par ledit alterno-démarreur (13) lors de ladite phase de démarrage dépend d'un couple inertiel (Mmth) dudit moteur thermique (12).
  6. 6. Système de commande (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que, lors d'une première phase (Pinit), ledit système de commande (10) est configuré pour piloter ledit alterno-démarreur (13) suivant une première loi de commande.
  7. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première phase correspond à une plage de rotation de 90 degrés vilebrequin pour un moteur à quatre cylindres ou à une plage de rotation de 120 degrés vilebrequin pour un moteur à trois cylindres.
  8. 8. Système de commande (10) selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que, lors d'une phase de décrochage (Pdec) d'une roue libre dudit démarreur (11), ledit système de commande (10) est configuré pour piloter ledit alterno-démarreur (13) suivant une deuxième loi de commande.
  9. 9. Système de commande (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une commande dudit alterno-démarreur (13) est coupée dans une phase de décélération dudit moteur thermique (12) et pendant une phase de décrochage (Pdec) d'une roue libre dudit démarreur (11).
  10. 10. Système de commande (10) selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que lors d’une phase d'accrochage (Pacc) d'une roue libre dudit démarreur (11), ledit système de commande (10) est configuré pour piloter ledit alterno-démarreur (13) suivant une troisième loi de commande.
  11. 11. Système de commande (10) selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que ledit couple généré par ledit alterno-démarreur (13) est égal à k.Jmth.d^mth/dt2, avec Jmth représentant une inertie dudit moteur thermique (12), 0mth correspondant à un angle de vilebrequin, t correspondant au temps, et une valeur de k variant en fonction d'une phase de fonctionnement dudit moteur thermique (12).
  12. 12. Système de commande (10) selon les revendications 8 et 11, caractérisé en ce que k vaut 1 suivant la première et la deuxième loi de commande.
  13. 13. Système de commande (10) selon les revendications 110 et 11, caractérisé en ce que k vaut -2 suivant la troisième loi de commande.
  14. 14. Ensemble pour démarrer un moteur thermique (12) comportant un démarreur (11), un alterno-démarreur (13), et un système de commande (10) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  15. 15. Ensemble selon la revendication 143, caractérisé en ce que pour démarrer un moteur thermique (12) de type diesel compris entre 2 et 2.2Litres à quatre cylindres, ledit ensemble comporte un démarreur (11) ayant une puissance comprise entre 1,4kW et 1,8kW et un alterno-démarreur (13) ayant une puissance comprise entre 2 et 2.5kW.
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