FR3079801A1 - Groupe motopropulseur a consommation de carburant reduite lors du regime de ralenti - Google Patents

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Abstract

Groupe motopropulseur pour véhicule, comprenant : - un moteur thermique, - une machine électrique, couplée au moteur thermique de manière à ce que la machine électrique puisse fournir un couple d'entraînement au moteur thermique à, - un injecteur de carburant pour le moteur thermique, et - une unité de contrôle configurée pour commander le fonctionnement de l'injecteur et de la machine électrique connectée électriquement à un stockeur d'énergie électrique, l'unité de contrôle pouvant en conditions de ralenti du moteur thermique commander l'injecteur pour qu'il injecte du carburant dans le moteur thermique selon un débit réduit non nul et commander la machine électrique pour qu'elle fournisse un couple d'entraînement non nul au moteur thermique.

Description

Groupe motopropulseur à consommation de carburant réduite lors du régime de ralenti
La présente invention concerne la réduction de la quantité de carburant injectée dans un moteur thermique lorsque ce dernier est au régime de ralenti.
L’invention s’applique notamment à des moteurs thermiques de véhicules, tels que :
- des automobiles, et
- des véhicules dits industriels, tels que des poids lourds,
- des véhicules utilisés pour les travaux agricoles, ou encore
- des véhicules utilisés pour les transports collectifs, par exemple des bus.
Pour réduire la consommation de carburant injecté dans le moteur thermique lors du régime de ralenti, il est par exemple connu du brevet US 4 022 164 de couper l’injection de carburant lors du régime de ralenti et d’entraîner le moteur thermique grâce au démarreur. Grâce à cet entraînement du moteur thermique, de l’énergie mécanique est disponible pour entraîner d’autres composants mécaniques tel qu’un compresseur de climatisation par exemple. Cependant, une telle solution nécessite de solliciter beaucoup plus le démarreur, ce qui a pour conséquence une usure accélérée de ce dernier et une décharge accélérée de la batterie du réseau de bord alimentant électriquement ce démarreur.
Toujours pour réduire la consommation de carburant lors du régime de ralenti du moteur thermique, il est connu de la demande PCT/FR2016/051554 d’utiliser un altemo-démarreur pour entraîner le moteur thermique lors du ralenti moteur, l’injection de carburant étant également coupée. Une telle solution présente, de manière similaire à celle selon US 4 022 164, l’inconvénient de décharger très rapidement la batterie du réseau de bord alimentant électriquement cet alterno-démarreur.
Il existe un besoin pour réduire la consommation de carburant d’un moteur thermique lors de son ralenti moteur tout en évitant les inconvénients précités.
L’invention a pour objet de répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’un groupe motopropulseur pour véhicule, comprenant :
- un moteur thermique,
- une machine électrique, couplée au moteur thermique de manière à ce que la machine électrique puisse fournir un couple d’entraînement au moteur thermique, et connectée électriquement à un stockeur d’énergie électrique
- un injecteur de carburant pour le moteur thermique, et
- une unité de contrôle configurée pour commander le fonctionnement de l’injecteur et de la machine électrique, l’unité de contrôle, dans des conditions de ralenti de moteur thermique, étant apte à sélectionner en fonction d’un critère étant notamment le niveau de charge du stockeur d’énergie l’un parmi:
-un premier mode de commande comprenant la commande de l’injecteur pour qu’il injecte du carburant dans le moteur thermique selon un premier débit et comprenant la commande de la machine électrique pour qu’elle ne fournisse pas de couple d’entraînement au moteur thermique, -un second mode de commande comprenant la commande de l’injecteur pour qu’il injecte du carburant dans le moteur thermique selon un deuxième débit non nul inférieur au premier débit et comprenant la commande de la machine électrique pour qu’elle fournisse un couple d’entraînement non nul au moteur thermique,
Selon l’invention, l’injection de carburant n’est pas coupée en conditions de ralenti moteur, mais cette injection peut être réduite. Ainsi, en conditions de ralenti, le moteur thermique continue de tourner par lui-même et la machine électrique fournit un complément de couple d’entraînement permettant au moteur thermique de tourner à son régime de ralenti.
Au sens de la présente invention, les conditions de ralenti se définissent par l’absence transmission de la puissance du moteur thermique aux roues du véhicule et le relâchement de la pédale d’accélérateur. Par exemple sur un véhicule équipé d’une boîte de vitesses manuelle, en conditions de ralenti l’embrayage est maintenu en position débrayée et/ou le point mort de la boîte de vitesses est sélectionné.
L’invention réalise ainsi un compromis entre économies de carburant injecté dans le moteur thermique en conditions de ralenti et dépense d’énergie électrique pour entraîner via la machine électrique ce moteur thermique.
L’invention permet de réaliser des économies de carburant tout en évitant :
- un dimensionnement de la machine électrique nécessaire pour fournir un couple au vilebrequin permettant le redémarrage du véhicule,
- un dimensionnement de la batterie alimentant cette machine électrique pour que ce couple permettant le redémarrage du véhicule soit effectivement fourni, et
- les problèmes de glissement susceptibles de se produire au niveau de la courroie lorsqu’un couple trop important est transmis de la machine électrique au moteur thermique.
De manière connue, le régime de ralenti, peut varier. Par exemple lorsque le moteur thermique est froid le régime de ralenti est en général plus élevé que quand le moteur thermique est chaud. Le régime de ralenti pourra aussi évoluer en fonction de la puissance demandée par les accessoires liés en rotation au vilebrequin du moteur. Ces accessoires sont par exemple un compresseur d’un système de refroidissement ou des équipements connectés en rotation à une prise de force notamment sur les véhicules industriels ou les véhicules agricoles.
De façon connue, le régime de ralenti correspond par exemple aux valeurs de vitesse comprises entre 500 tr/min et 800 tr/min au vilebrequin. Grâce à l’invention, le régime de ralenti peut conserver la même valeur qu’il aurait si l’injection de carburant se faisait toujours selon le premier débit.
Le rapport entre le deuxième débit et le premier débit est par exemple compris entre 0,5 et 0,95 notamment entre 0,6 et 0,9. Le premier débit est par exemple environ égal à 1,15 L/h tandis que le deuxième débit est égal à 0,85 L/h. La machine électrique peut présenter une tension nominale de 48V.
Au sens de la présente demande, l’unité de contrôle n’est pas nécessairement un seul composant, et notamment un composant monobloc. L’unité de contrôle englobe de façon plus générale la combinaison de plusieurs moyens de contrôle, certains de ces moyens étant par exemple à distance les uns des autres. Tout ou partie de l’unité de contrôle est par exemple disposée dans le calculateur du véhicule (ECU en anglais).
La machine électrique et le vilebrequin du moteur thermique sont par exemple couplés par une courroie d’entraînement. Cette courroie peut aussi être couplée à d’autres composants, par exemple à un compresseur de climatisation.
En variante, la machine électrique et le vilebrequin du moteur thermique ne sont pas couplés par une courroie d’entraînement mais par un autre moyen de couplage, par exemple par des engrenages. La machine électrique peut être couplée directement ou par l’intermédiaire d’un embrayage au vilebrequin du moteur thermique.
La machine électrique est par exemple une machine électrique réversible apte à être entraînée par le moteur thermique et à générer de l’énergie électrique pour charger le stockeur d’énergie électrique. Ainsi, la machine électrique peut se comporter comme un alternateur et permettre de recharger une batterie du réseau de bord du véhicule.
Le groupe motopropulseur peut encore comprendre un démarreur, distinct de la machine électrique. La machine électrique peut être dimensionnée de manière à permettre les redémarrages du moteur thermique notamment lorsque le moteur thermique est chaud. Cependant lors des démarrages du moteur thermique à froid, le couple que peut transmettre la machine électrique peut ne pas être suffisant pour vaincre les frottements internes du moteur thermique et donc démarrer le moteur thermique. Dans le cas d’un couplage par courroie entre la machine électrique et le moteur thermique, un glissement indésirable de la courroie pourrait se produire. L’utilisation d’un démarreur en plus de la machine électrique permet de résoudre le problème.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de réduction de la consommation de carburant en conditions de ralenti d’un moteur thermique de véhicule, ce moteur thermique étant couplé à une machine électrique connectée électriquement à un stockeur d’énergie électrique, procédé dans lequel on réalise sélectivement l’une des étapes suivantes en fonction d’un critère étant notamment le niveau de charge du stockeur d’énergie électrique :
- on commande l’injecteur associé au moteur thermique pour injecter du carburant dans le moteur thermique selon un premier débit et on commande la machine électrique pour qu’elle ne fournisse pas de couple d’entraînement au moteur thermique, et
- on commande l’injecteur pour injecter du carburant dans le moteur thermique selon un deuxième débit non nul inférieur au premier débit et on commande la machine électrique pour qu’elle fournisse un couple d’entraînement au moteur thermique.
Tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus en rapport au groupe motopropulseur s’applique encore au procédé.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’un exemple non limitatif de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel :
- la figure 1 est une vue schématique et partielle, d’un groupe motopropulseur selon un exemple de réalisation de l’invention, et
- la figure 2 est un graphique montrant un exemple de réduction de la consommation de carburant grâce à l’entraînement par la machine électrique selon l’invention.
On a représenté sur la figure 1 un groupe motopropulseur 1 pour véhicule automobile, ce système comportant :
- un moteur thermique 2, par exemple à essence, et
- une machine électrique 3 couplée au moteur thermique 2 de manière à ce que le moteur thermique puisse fournir un couple d’entraînement à la machine électrique 3 et réciproquement.
Ce couplage entre le moteur thermique 2 et la machine électrique 3 se fait par exemple via une courroie 20.
La machine électrique 3 est dans l’exemple décrit une machine électrique tournante synchrone à double excitation, c'est-à-dire comportant un rotor muni d'aimants permanents et d'un bobinage d'excitation. D’autres variantes sont possibles, dans lesquelles la machine électrique 3 est une machine électrique tournante asynchrone par exemple, ayant notamment un rotor à cage.
La machine électrique 3 présente dans l’exemple considéré une tension nominale d’alimentation au stator de 48V, d’autres valeurs étant possibles. La puissance électrique nominale de cette machine électrique est notamment comprise entre 4 et 25 kW, notamment entre 6 et 12 kW, notamment une puissance sensiblement égale à 8 kW.
La machine électrique 3 est réversible, se comportant selon le mode de fonctionnement du véhicule comme un moteur électrique ou comme un alternateur.
La machine électrique 3 a son stator connecté au réseau de bord du véhicule. Dans l’exemple considéré, ce réseau de bord comprend :
-un stockeur d’énergie électrique de tension nominale de 48V faisant partie d’une portion « 48V » du réseau de bord,
-un stockeur d’énergie électrique de tension nominale de 12V faisant partie d’une portion « 12V » du réseau de bord, et
-un convertisseur de tension continu/continu faisant l’interface entre la portion «12V » et la portion « 48V » du réseau de bord.
Cette courroie 20 coopère ici d’une part un pignon 11 de la machine électrique 3, et d’autre part avec un vilebrequin 14 du moteur thermique 3.
Comme on peut le voir sur la figure, un démarreur 4 peut être prévu, pour démarrer à froid le moteur thermique 2 du véhicule. Ce démarreur 4 comporte un pignon 7 agencé pour coopérer avec un volant 8 du moteur thermique 2. Par exemple le démarreur est connectable électriquement à la portion « 12V » du réseau de bord et la machine électrique est connectée à la portion « 48V » du réseau de bord. Le démarreur permet de démarrer le moteur à l’aide de l’énergie stockée dans le stockeur d’énergie électrique de la portion « 12V » du réseau de bord, même si le stockeur d’énergie électrique de tension nominale de 48V est déchargé et ce sans utiliser le convertisseur de tension continu/continu.
Un injecteur non représenté est également prévu, cet injecteur pouvant être direct et/ou indirect.
Le groupe motopropulseur 1 comprend encore une unité de contrôle 5 du fonctionnement de la machine électrique 3 et de l’injecteur. Cette unité de contrôle 5 peut former un seul composant ou être formée par la réunion de plusieurs composants, par exemple un composant intégré à la machine électrique 3 et un composant intégré à l’injecteur. Dans l’exemple décrit, l’unité de contrôle 5 commande encore le fonctionnement du démarreur 4. L’unité de contrôle 5 reçoit, de manière connue, des données sur le fonctionnement moteur comme par exemple la charge du moteur thermique 2, la température du moteur thermique 2, ainsi que des données sur l’état du réseau de bord comme par exemple le niveau de charge du ou des stockeurs d’énergie électrique.
En conditions de ralenti, l’unité de contrôle 5 peut sélectionner parmi au moins un premier mode de commande et un second mode de commande, en fonction de critères tels que, par exemple, le niveau de charge du stockeur d’énergie électrique, dans l’exemple décrit, le stockeur d’énergie électrique de tension nominale 48V, et/ou la température du moteur thermique 2, et./ou la charge à entraîner par le vilebrequin du moteur thermique 2.
Dans le premier mode de commande, la courroie 20 permet l’entraînement de la machine électrique 3 par le moteur thermique 2 pour charger le stockeur d’énergie électrique de tension nominale de 48V du réseau de bord. Dans ce premier mode de commande, l’unité de contrôle 5 commande l’injecteur pour qu’il injecte le carburant dans le moteur thermique 2 avec un premier débit. Ce premier mode de commande est choisi par exemple quand le moteur thermique 2 est froid et/ou quand le niveau de charge du stockeur d’énergie électrique de tension nominale 48V est faible, par exemple, inférieur à un niveau seuil.
Quand l’unité de contrôle 5 détecte que le niveau de charge du stockeur d’énergie électrique de tension nominale 48V passe au dessus du niveau seuil, l’unité de contrôle 5 commande le passage du premier mode de commande au second mode de commande. Une hystérésis peut être appliquée de manière à éviter de trop fréquents passages entre le premier et le second mode de commande.
Dans le second mode de commande, l’unité de contrôle 5 commande l’injecteur pour qu’il injecte le carburant dans le moteur thermique 2 avec un second débit non nul et plus faible que le premier débit et commande la machine électrique 3 pour qu’elle entraîne le moteur thermique 2. Ce second mode de commande est choisi par exemple quand le moteur thermique 2 est chaud et que le niveau de charge du stockeur d’énergie électrique de tension nominale 48V est élevé, par exemple supérieur au niveau seuil.
Quand l’unité de contrôle 5 détecte que le niveau de charge du stockeur d’énergie électrique de tension nominale 48V passe sous le niveau seuil, l’unité de contrôle 5 commande le passage du second mode de commande au premier mode de commande.
L’invention consiste à utiliser la machine électrique 3 lors du ralenti moteur, par exemple pour un régime moteur d’environ 600 tr/min pour un moteur de poids lourd dont le moteur thermique est chaud, c’est-à-dire dont le moteur a atteint une plage de température permettant son fonctionnement optimal, et n’ayant pas à entraîner des accessoires nécessitant une puissance mécanique élevée, pour fournir un couple permettant au moteur thermique 2 de maintenir son régime de ralenti.
Selon l’invention, l’unité de contrôle 5, par exemple lorsqu’elle détecte des conditions de ralenti moteur et que le niveau de charge du stockeur d’énergie électrique est supérieur au niveau seuil et/ou que le moteur thermique 2 est chaud :
- commande l’injecteur pour que le débit de carburant injecté diminue, passant d’un premier débit à un deuxième débit non nul, et
- commande la machine électrique 3 pour qu’elle fournisse via le couplage, qui est ici la courroie 20, un couple au moteur thermique 2.
Le moteur thermique 2 conserve ainsi, lors de ce ralenti moteur, un régime lui permettant d’entraîner en rotation divers composants tel qu’un compresseur de climatisation, sans pour autant consommer trop d’énergie électrique du réseau de bord.
Un exemple précis va être décrit en référence à la figure 2.
Dans cet exemple, le véhicule est un poids lourd dont le moteur thermique 2 est un moteur Diesel à 6 cylindres avec une cylindrée de 8L.
La machine électrique 3 présente une tension nominale de 48V et coopère avec le vilebrequin via une courroie d’accessoire (FEAD en anglais).
La courbe 100 représente l’évolution du débit d’injection en fonction du temps.
La courbe 101 représente l’évolution du régime moteur en fonction du temps.
La courbe 102 représente l’évolution du couple fourni par la machine électrique 3 en fonction du temps.
On constate sur la courbe 100 que, tant que l’invention n’est pas mise en œuvre, le moteur thermique 2 présente un régime de ralenti de l’ordre de 600 tr/min, avec un premier débit d’injection d’environ 1,18 L/h tandis que la machine électrique 3 est utilisée comme générateur électrique.
Lorsque l’invention est mise en œuvre, c’est-à-dire après un temps tb l’unité de contrôle 5 commande la machine électrique 3 pour que la rotation de cette dernière fournisse un couple d’assistance au moteur thermique 2, et l’injecteur est commandé pour injecter selon un deuxième débit qui est de l’ordre de 0,85 L/h dans l’exemple décrit. Le couple fourni par la machine électrique 3 au moteur thermique 2 est ici de l’ordre de 5 Nm.
On constate que, à la transition à ti près, le régime du moteur thermique 2 reste constant lorsqu’une partie de l’énergie amenée par le carburant est remplacée par l’énergie fournie par la machine électrique 3.
L’invention n’est pas limitée à l’exemple qui vient d’être décrit.

Claims (7)

  1. Revendications
    1. Groupe motopropulseur (1) pour véhicule, comprenant :
    - un moteur thermique (2),
    - une machine électrique (3), couplée au moteur thermique (2) de manière à ce que la machine électrique (3) puisse fournir un couple d’entraînement au moteur thermique (2), et connectée électriquement à un stockeur d’énergie électrique,
    - un injecteur de carburant pour le moteur thermique (2), et
    - une unité de contrôle (5) configurée pour commander le fonctionnement de l’injecteur et de la machine électrique (3), l’unité de contrôle (5), dans des conditions de ralenti de moteur thermique (3), étant apte à sélectionner en fonction d’un critère étant notamment le niveau de charge du stockeur d’énergie l’un parmi:
    - un premier mode de commande comprenant la commande de l’injecteur pour qu’il injecte du carburant dans le moteur thermique (2) selon un premier débit et comprenant la commande de la machine électrique (3) pour qu’elle ne fournisse pas de couple d’entraînement au moteur thermique (2),
    - un second mode de commande comprenant la commande de l’injecteur pour qu’il injecte du carburant dans le moteur thermique (2) selon un deuxième débit non nul inférieur au premier débit et comprenant la commande de la machine électrique (3) pour qu’elle fournisse un couple d’entraînement non nul au moteur thermique,
  2. 2. Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 1, dans lequel le rapport entre le deuxième débit et le premier débit est compris entre 0,5 et 0,95 notamment entre 0,6 et 0,9.
  3. 3. Groupe motopropulseur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (3) est une machine électrique réversible apte à être entraînée par le moteur thermique (2) et à générer de l’énergie électrique pour charger le stockeur d’énergie électrique.
  4. 4. Groupe motopropulseur (1) selon la revendication précédente, dans lequel la machine électrique présente une tension nominale de 48V.
  5. 5. Groupe motopropulseur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique (3) et le vilebrequin du moteur thermique (2) sont couplés par une courroie d’entraînement (20).
  6. 6. Groupe motopropulseur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un démarreur (4), distinct de la machine électrique.
  7. 7. Procédé de réduction de la consommation de carburant en conditions de ralenti d’un moteur thermique (2) de véhicule, ce moteur thermique (2) étant couplé à une machine électrique (3) connectée électriquement à un stockeur d’énergie électrique, procédé dans lequel on réalise sélectivement l’une des étapes suivantes en fonction d’un critère étant notamment le niveau de charge du stockeur d’énergie :
    - on commande l’injecteur associé au moteur thermique (2) pour injecter du carburant dans le moteur thermique (2) selon un premier débit et commande la machine électrique (3) pour qu’elle
    5 ne fournisse pas de couple d’entraînement au moteur thermique (2), et
    - on commande l’injecteur pour injecter du carburant dans le moteur thermique (2) selon un deuxième débit non nul inférieur au premier débit et on commande la machine électrique (3) pour qu’elle fournisse un couple d’entraînement au moteur thermique (2).
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5934396A (en) * 1995-12-08 1999-08-10 Aisin Aw Co., Ltd. Control system for vehicular drive unit
JP2016130454A (ja) * 2015-01-13 2016-07-21 株式会社デンソー 内燃機関の制御装置
FR3037910A1 (fr) * 2015-06-24 2016-12-30 Valeo Systemes De Controle Moteur Systeme pour vehicule automobile pour maintenir le moteur a combustion dans un regime bas

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