FR3102515A1 - Procédé d’estimation de l’état thermique d’un composant moteur et procédé de pilotage de commandes GMP - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un procédé d’estimation de l’état thermique d’un composant interne d’un moteur thermique de groupe motopropulseur permettant d’améliorer la gestion thermique en cas de coupure moteur. Plus précisément, l’invention propose d’une part un procédé consistant à estimer la température interne (Tm) du moteur à partir du flux thermique généré par la combustion du travail moteur et de l’action du fluide de refroidissement, et d’autre part un procédé de pilotage des autorisations des coupures moteur (CS_auth) et un procédé de pilotage de la durée d’activation d’une pompe de refroidissement en fonction de ladite température (Tm) pour éviter les chocs thermiques. L’invention s’applique aux groupes motopropulseurs conventionnels et hybrides. Figure pour l’abrégé: figure 1
Description
Le domaine de l’invention concerne un procédé d’estimation de l’état thermique d’un composant de moteur thermique et un procédé de gestion d’un groupe motopropulseur pour le pilotage des coupures moteurs et d’une pompe de circuit de refroidissement.
Pour réduire la consommation en carburant des groupes motopropulseurs à moteur thermique, les stratégies énergétiques cherchent à mettre à l’arrêt le moteur thermique dès qu’une opportunité se présente. Pour cela, les constructeurs ont recours à l’usage de systèmes d’arrêt et redémarrage automatique du moteur (STT). Dans le cas des groupes motopropulseurs hybrides, les stratégies prévoient généralement d’éteindre le moteur thermique au profit d’un mode de roulage entièrement électrique, dit également mode ZEV (« Zero Emission Vehicule »). Classiquement, l’autorisation des coupures moteurs dépend de la demande en couple aux roues, de l’état de charge de la batterie, ou bien encore d’un paramètre de mode de roulage favorisant ou non le roulage électrique.
Les coupures à répétition du moteur thermique provoquent des chocs thermiques au niveau de la matière des composants du moteur, en particulier au niveau du turbocompresseur, du carter, de la culasse, joint de culasse et des conduits du liquide de refroidissement. Au cours du temps, ces chocs thermiques s’ils sont trop fréquents sont susceptibles d’endommager prématurément les composants du moteur thermique.
Pour éviter cette situation, des stratégies de contrôle inhibent les fonctions d’arrêt et redémarrage du moteur thermique et/ou pilotent la boucle de refroidissement du moteur thermique en fonction de paramètres de température, mesurés ou estimés, du fluide de refroidissement et du turbocompresseur. En particulier, en plus de la pompe mécanique principale du circuit de refroidissement, des stratégies prévoient en complément l’activation de la pompe électrique du circuit du turbocompresseur.
Par exemple, on connait le document brevet DE10347683A1 proposant l'inhibition de la fonction d’arrêt et redémarrage automatique, lorsque la température de l'électronique de puissance d'un alterno-démarreur dépasse une valeur seuil. On connait également de l’état de la technique le document brevet FR3018556A1 déposé par la demanderesse proposant un procédé d’estimation de l’état thermique d’un démarreur déterminant les phases d’utilisation du démarreur et de démarrage du moteur thermique pour éviter un échauffement et endommagement prématuré.
Cependant, ces stratégies ne sont pas suffisantes pour empêcher les chocs thermiques au niveau des composants en interne du moteur. En particulier, pour les architectures hybrides les coupures moteur augmentent considérablement par rapport à une architecture conventionnelle, notamment lorsque la puissance de traction demandée est inférieure à un seuil de déclenchement du mode de roulage électrique. Les chocs thermiques à répétition augmentent le risque d’ébullition du liquide de refroidissement, d’engazage, d’hydrolyse glycolée ou bien encore de débordement.
Il existe donc un besoin de palier les problèmes précités. Un objectif de l’invention est d’assurer une régulation thermique efficace des composants internes du moteur. Un autre objectif est de proposer une stratégie de pilotage des coupures moteurs pour éviter les chocs thermiques au niveau des composants internes du moteur en situations extrêmes de roulage de températures élevées, par exemple en température extérieure élevées et charges en couple moteur élevées et continuelles par exemple.
Plus précisément, l’invention concerne un procédé d’estimation de la température d’un composant du groupe motopropulseur pour le pilotage d’une ou plusieurs consignes lors de la commande d’un arrêt du moteur thermique, dans lequel l’estimation de température consiste à estimer la température de la matière d’un composant interne du moteur thermique, ladite estimation comportant les étapes suivantes :
- La détermination du flux thermique instantané du moteur thermique et d’une variation de température du moteur résultant de l’application de ce flux thermique,
- La correction de la variation de température par un facteur de correction d’échange thermique résultant de l’action du fluide de refroidissement du moteur, le facteur de correction étant calculé en fonction du régime d’entrainement d’une pompe de circulation du fluide de refroidissement du moteur.
Selon une variante, le flux thermique instantané est déterminé à partir d’une cartographie prédéterminée délivrant une valeur du flux thermique en fonction d’une mesure du régime moteur instantané et d’une estimation du couple moteur instantané.
Selon une variante, le régime d’entrainement de la pompe est déterminé à partir d’une mesure instantanée du régime du moteur thermique.
L’invention prévoit un procédé de pilotage d’une consigne d’autorisation d’une coupure de moteur thermique d’un groupe motopropulseur, procédé dans lequel l’état de la consigne d’autorisation est commandé au moyen d’une cartographie prédéterminée recevant un premier paramètre d’entrée qui est la température instantanée du fluide de refroidissement, dans lequel l’état de la consigne est commandé en outre en fonction d’un deuxième paramètre d’entrée de la cartographie qui est la température instantanée estimée au moyen de l’un quelconque des modes de réalisation précédents du procédé d’estimation de la température selon l’invention.
L’invention prévoit également un procédé de pilotage d’une pompe de circulation d’un fluide de refroidissement de moteur thermique d’un groupe motopropulseur comportant la détermination d’une durée d’activation de la pompe, dans lequel la durée d’activation est déterminée au moyen d’une cartographie recevant un premier paramètre d’entrée qui est fonction de la température instantanée du fluide de refroidissement du moteur et un deuxième paramètre d’entrée qui est fonction de la température instantanée estimée au moyen de l’un quelconque des modes de réalisation précédents du procédé d’estimation de la température selon l’invention.
Selon une variante du procédé de pilotage de la pompe, la durée d’activation est une durée d’activation de la pompe calculée à l’instant de commande d’une coupure du moteur thermique par une consigne de coupure et initiée à partir de l’instant de commande de coupure.
Selon une variante du procédé de pilotage de la pompe, la consigne de coupure est dépendante de la consigne d’autorisation déterminée conformément au procédé selon l’invention.
Il est également prévu selon l’invention un véhicule automobile comportant un groupe motopropulseur comprenant un moteur thermique et un circuit de refroidissement dudit moteur, le circuit de refroidissement comprenant une pompe mécanique principale entrainée par l’arbre moteur et une pompe auxiliaire électrique, le groupe motopropulseur, en cas de coupure du moteur thermique, étant configuré de sorte à activer la pompe auxiliaire durant une durée d’activation à la suite de l’instant de commande de la coupure, ladite durée d’activation étant déterminée conformément au procédé selon l’invention.
L’invention prévoit également un produit programme-ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par une unité de commande du groupe motopropulseur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre l’un quelconque des modes de réalisation du procédé d’estimation de la température d’un composant interne du moteur, du procédé de pilotage de la consigne de coupure du moteur et du procédé de pilotage de la pompe auxiliaire conformément à l’invention.
Grâce à une gestion thermique se basant sur une estimation de la température interne du moteur thermique, le groupe motopropulseur élimine les chocs thermiques résultant des coupures répétitives du moteur thermique. L’amélioration du refroidissement prend ainsi en compte l’inertie thermique de la matière des composants internes et permet de limiter son endommagement.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, dans lesquels :
L’invention s’applique aux groupes motopropulseurs de véhicule automobile à propulsion conventionnelle thermique ou propulsion hybride et propose un procédé d’estimation de la température des composants internes du moteur thermique permettant d’améliorer la gestion des coupures moteurs et du circuit de refroidissement en situation de roulage à température extrême ou de forte charge. L’invention vise à améliorer la gestion thermique lors de coupures du moteur de tout type, par exemple STT, ou bien encore lors de roulage ZEV.
Classiquement, les groupes motopropulseurs comprenant un moteur thermique sont équipés d’un circuit de de refroidissement dédié à la gestion thermique des composants moteurs. Le circuit de refroidissement comporte un circuit haute température, fonctionnant dans des plages de température pouvant atteindre une centaine de degrés, et une branche de dérivation dédiée au refroidissement d’un turbocompresseur. Le circuit haute température comporte une pompe mécanique principale entrainée par l’arbre du moteur thermique assurant la circulation du fluide de refroidissement dans le circuit haute température. La dérivation comporte une pompe auxiliaire électrique apte à assurer la circulation du liquide de refroidissement dans une partie ou bien dans l’ensemble du circuit de refroidissement lorsque le moteur thermique est à l’arrêt. La pompe auxiliaire est pilotable par des commandes, par exemple de type tout ou rien en fonction d’une consigne d’activation, soit à l’arrêt ou soit en régime tournant constant, ou en régulation de régime. Le circuit de refroidissement peut comporter des moyens de régulation du débit du fluide de refroidissement, par exemple des vannes ou clapets, pilotés par des commandes déterminées par l’unité de commande du moteur thermique dépendantes de paramètres de fonctionnement du groupe motopropulseur, notamment la température du fluide de refroidissement, estimation de température du turbocompresseur, le régime moteur, et dans le cadre de l’invention des estimations de la température de la matière de composants internes du moteur thermique.
La pompe mécanique principale est entrainée par l’arbre moteur, empêchant donc l’action de régulation thermique résultant du flux du fluide de refroidissement dans le circuit de refroidissement en situation de coupure moteur. L’invention vise tout d’abord à autoriser ou non les coupures moteur en fonction de la situation thermique du moteur visant à empêcher les chocs thermiques en situations thermiques extrêmes, et à activer judicieusement la pompe auxiliaire électrique pour faire circuler le fluide de refroidissement en situation de coupure moteur.
Dans ce but, la figure 1 représente une unité de commande du groupe motopropulseur comportant des modules fonctionnels selon l’invention, un premier module 10 est dédié à la fonction d’estimation de la température instantanée Tm de la matière d’un ou plusieurs composants internes du moteur thermique et un deuxième module 11 est dédié à la fonction de pilotage du signal de consigne CS_auth d’autorisation d’une coupure moteur.
Le premier module 10 reçoit à chaque instant des valeurs de paramètres d’entrée P_gmp de fonctionnement du groupe motopropulseur, parmi lesquels on peut citer la température mesurée du fluide de refroidissement par un capteur du circuit de refroidissement en degré Celsius, le régime de rotation du moteur thermique en tr/min, le couple moteur en N.m, et éventuellement la puissance moteur instantanée. La température estimée Tm est ensuite exploitée pour évaluer les conditions de fonctionnement des composants internes du moteur et gérer les coupures du moteur.
Plus précisément, la figure 2 représente le module fonctionnel 10 d’estimation de la température de la matière d’un composant interne du moteur. La température de la matière Tm est une estimation de la température des composants du moteur tels le carter, la culasse, joint de culasse, ou bien encore la température en surface du noyau d’eau du moteur. La température réelle au niveau des composants internes diffère sensiblement à la hausse par rapport à la température conventionnellement mesurée en sortie de culasse qui correspond à la température du fluide de refroidissement et non des composants internes. Le module 11 a donc pour objectif d’estimer la température réelle pour améliorer la gestion de la régulation thermique et prendre en compte notamment les effets d’inertie thermique de la matière pouvant provoquer des ébullitions, engazage et débordement lors d’une coupure moteur. L’objectif est donc de mettre en place un processus de régulation en fonction d’un seuil de température contrôlant spécifiquement la valeur de cette estimation en plus du seuil de température contrôlant la valeur de la température du fluide de refroidissement.
Plus précisément, le module 10 comporte un premier bloc 101 d’estimation du flux thermique instantané 105 du moteur. Cette valeur 105 est déterminable à partir d’un paramètre de fonctionnement du groupe motopropulseur qui est représentatif de la puissance instantanée. Dans une variante, le flux thermique instantané 105 est déterminé par une cartographie prédéterminée, mémorisée en mémoire de l’unité de commande du groupe motopropulseur, qui délivre la valeur du flux thermique instantané 105 à partir du couple moteur instantané et du régime de rotation du moteur. La valeur 105 est une valeur exprimée en en Joule par seconde ou Watts. De la valeur de ce flux thermique instantané, le bloc 101 détermine une variation de température interne résultant du flux thermique. Plus la puissance moteur augmente et plus la température résultant du flux thermique augmente. De façon connue en soi, les flux thermiques sont connus et calculés empiriquement au moyen de cartographies se basant sur les points de fonctionnement moteur en régime et couple lors de sa conception. On peut citer par exemple le document EP1916404A1 déposé par la demanderesse décrivant une technique d’estimation des flux thermiques.
De plus, le module 10 comporte un deuxième bloc 102 dont la fonction est de délivrer une valeur de correction 106 de la variation de température générée par les flux thermiques du moteur. La valeur de correction 106 est représentative de l’action de refroidissement du circuit de refroidissement du moteur. Cette valeur de correction dépend du régime de rotation instantané du moteur thermique. En effet, le débit du fluide de refroidissement est dépendant du régime de rotation de la pompe mécanique principale et donc du moteur thermique. Plus le régime de rotation du moteur augmente et plus le puisage d’énergie calorifique en interne du moteur augmente. Le deuxième bloc 102 est par exemple une cartographie prédéterminée, mémorisée en mémoire de l’unité de commande du groupe motopropulseur, délivrant la valeur de correction en fonction de la mesure du régime de rotation du moteur thermique.
Un troisième bloc 103 a pour fonction d’estimer une valeur de température 108 des composants internes à partir du flux thermique 105, du facteur de correction 106 représentatif de l’action de refroidissement, et d’une valeur 107 de température instantanée du fluide de refroidissement du moteur. Un ou plusieurs autres facteurs de correction peuvent être pris en compte par le bloc 103 pour élaborer la valeur 108. La valeur de température 108 est traitée de préférence par quatrième bloc de traitement final 104, par exemple un filtre-bas qui dépend de la valeur de régime moteur, avant de délivrer la température Tm au module 11 de pilotage de la consigne d’autorisation de la coupure moteur.
La figure 3 représente maintenant le module 11 de pilotage de la consigne CS_auth d’autorisation de coupure du moteur thermique. Le module estime à partir d’une cartographie prédéterminée, enregistrée en mémoire de l’unité de commande du groupe motopropulseur, prenant en paramètre d’entrée la valeur de la température Tm, délivrée par le module 10, et la valeur de la température Te du fluide de refroidissement du circuit de régulation thermique du moteur. La valeur de la consigne CS_auth est pilotée en fonction desdites valeurs d’entrée Tm et Te. La consigne CS_auth est dans cet exemple une consigne de type signal booléen pouvant prendre la valeur VRAI (1) pour autoriser une coupure moteur ou FAUX (0) pour interdire une coupure moteur.
La figure 4 représente schématiquement un exemple non limitatif de cartographie deux dimensions de pilotage du signal CS_auth. Sur l’axe des abscisses on a représenté la valeur de la température du fluide de refroidissement Te, et en ordonnée on a représenté les valeurs de la température Tm de la matière des composants internes du moteur déterminant la valeur du signal CS_auth. Les cases de la cartographie représentent les valeurs du signal 1, 0 en fonction des températures Tm, Te.
Plus précisément, la consigne d’autorisation de coupure du moteur thermique CS_auth est exploitée par l’unité de commande pour autoriser une coupure pour activer un mode de roulage ZEV dans le cas d’une architecture hybride, ou une coupure momentanée de type « Stop and Start », quel que soit l’architecture de motorisation (hybride ou conventionnelle).
Par ailleurs, l’unité de commande comporte un module d’estimation d’une durée d’activation de la pompe auxiliaire suivant l’instant de détection d’une coupure moteur. Ce module a pour fonction d’activer la pompe auxiliaire durant une durée D_pp dépendant de la valeur de la température Tm et de la valeur de la température du fluide de refroidissement, de manière similaire à la cartographie représentée en figure 4. La cartographie de détermination de la durée D_pp est configurée pour déterminer la valeur de la durée d’actionnement de la pompe auxiliaire en fonction des valeurs de température Tm, Te au moment de la coupure du moteur.
L’unité de commande du groupe motopropulseur (ou moteur thermique) est munie d’un calculateur à circuits intégrés et de mémoires électroniques, le calculateur et les mémoires étant configurés pour exécuter le procédé d’estimation de la température, le procédé de pilotage du signal d’autorisation et enfin le procédé de pilotage de la pompe auxiliaire. Mais cela n’est pas obligatoire. En effet, le calculateur pourrait être externe à l’unité de commande, tout en étant couplé à cette dernière. Dans ce dernier cas, il peut être lui-même agencé sous la forme d’un calculateur dédié comprenant un éventuel programme dédié, par exemple. Par conséquent, l’unité de commande, selon l’invention, peut être réalisé sous la forme de modules logiciels (ou informatiques (ou encore « software »)), ou bien de circuits électroniques (ou « hardware »), ou encore d’une combinaison de circuits électroniques et de modules logiciels.
En figure 5, on a représenté maintenant un algorithme de pilotage du groupe motopropulseur dans lequel la température Tm est estimée à chaque instant pour le pilotage du signal d’autorisation CS_auth et le pilotage de la pompe auxiliaire en cas de coupure moteur. De même la durée d’activation D_pp de la pompe est calculée à chaque instant.
A une première étape 50, on prend l’hypothèse que le moteur thermique fonctionne en régime tournant, en roulage durant lequel un couple moteur est transmis aux roues pour déplacer le véhicule. Pour représenter cette situation, par exemple un paramètre d’état du groupe motopropulseur ET_mth est piloté à une valeur VRAI= 1. Des estimations de la température Tm et de la durée D_pp sont également calculée.
A une étape 51, l’unité de commande détermine la valeur de la consigne d’autorisation CS_auth en fonction de la cartographie prédéterminée prenant en paramètre d’entrée la valeur de température Tm et la valeur du fluide de refroidissement Te.
En cas de détection que la consigne CS_auth est à l’état FAUX (0), l’unité de commande interdit, à une étape 52, les coupures moteur pour éviter un endommagement du moteur ainsi que les phénomènes d’ébullition explicités précédemment. Cette situation exceptionnelle correspond par exemple à des températures extérieures très élevées, 40°C ou plus, et/ou à des points de fonctionnement moteur à forte charge en couple et régime (par exemple, montée route montagneuse, masse véhicule élevée) et avec des températures de liquide de refroidissement élevées.
En cas de détection que la consigne CS_auth est à l’état VRAI (1), l’unité de commande autorise, à une étape 53, les coupures moteur. Cette situation couvre généralement tous les cas de vie du véhicule, mis à part celles exceptionnelles mentionnées dans le paragraphe précédent. Dans cette situation, le moteur thermique est toujours tournant (ET_mth =1) car l’unité de commande pilote un état tournant pour fournir un couple aux roues par exemple. La durée d’activation de la pompe est toujours calculée.
En cas de détection, à une étape 54, d’une requête de coupure moteur, (RQ_mth =0) et d’une requête d’un mode de roulage ZEV (RQ_zev =1), alors à une étape 55, l’unité de commande déclenche la procédure d’arrêt du moteur thermique, jusqu’à atteindre un régime tournant nul et une coupure de l’injection carburant. A cette étape du procédé, l’unité de commande détecte l’instant d’arrêt du moteur thermique et à partir de cet instant pilote l’activation de la pompe auxiliaire du circuit de refroidissement par une commande d’activation ET_pp à l’état VRAI=1 pendant la durée D_pp qui est calculée à chaque instant en fonction de la température de la matière Tm et de la température du fluide de refroidissement jusqu’à la coupure du moteur. La durée d’activation D_pp est figée jusqu’au prochain démarrage du moteur thermique. Une fois que la durée D_pp s’est écoulée après l’instant d’arrêt du moteur, la pompe est mise à l’arrêt. Le débit du fluide de refroidissement durant cette période permet un refroidissement des composants internes du moteur et élimine les chocs thermiques.
Les étapes 54, 55 s’appliquent également aux situations d’arrêt véhicule et aux situations de coupure momentanée de type STT. On a décrit la pompe électrique pour un mode de réalisation d’une branche de dérivation de turbocompresseur. Ce cas n’est néanmoins aucunement limitatif et l’invention s’applique pour le pilotage de toute pompe électrique activable en situation de coupure moteur.
Claims (8)
- Procédé d’estimation de la température d’un composant du groupe motopropulseur pour le pilotage d’une ou plusieurs consignes lors de la commande d’un arrêt d’un moteur thermique du groupe motopropulseur, caractérisé en ce que l’estimation de température consiste à estimer la température (Tm) de la matière d’un composant interne du moteur thermique, ladite estimation comportant les étapes suivantes :
- La détermination du flux thermique instantané (105) du moteur thermique et d’une variation de température du moteur résultant de l’application de ce flux thermique,
- La correction de la variation de température par un facteur de correction (106) d’échange thermique résultant de l’action du fluide de refroidissement du moteur, le facteur de correction (106) étant calculé en fonction du régime d’entrainement d’une pompe de circulation du fluide de refroidissement du moteur.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux thermique instantané (105) est déterminé à partir d’une cartographie prédéterminée (101) délivrant une valeur du flux thermique en fonction d’une mesure du régime moteur instantané et d’une estimation du couple moteur instantané.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le régime d’entrainement de la pompe est déterminé à partir d’une mesure instantanée du régime du moteur thermique (102).
- Procédé de pilotage d’une consigne d’autorisation (CS_auth) d’une coupure de moteur thermique d’un groupe motopropulseur, procédé dans lequel l’état de la consigne d’autorisation (CS_auth) est commandé au moyen d’une cartographie prédéterminée recevant un premier paramètre d’entrée qui est la température instantanée (Te) du fluide de refroidissement, caractérisé en ce que l’état de la consigne est commandé en outre en fonction d’un deuxième paramètre d’entrée (TM) de la cartographie qui est la température instantanée estimée (Tm) au moyen du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3.
- Procédé de pilotage d’une pompe de circulation d’un fluide de refroidissement de moteur thermique d’un groupe motopropulseur comportant la détermination d’une durée d’activation (D_pp) de la pompe, caractérisé en ce que la durée d’activation (D_pp) est déterminée au moyen d’une cartographie recevant un premier paramètre d’entrée (Te) qui est fonction de la température instantanée du fluide de refroidissement du moteur et un deuxième paramètre d’entrée qui est fonction de la température instantanée (Tm) estimée au moyen du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3.
- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la durée d’activation (D_pp) est une durée d’activation de la pompe calculée à l’instant de commande d’une coupure du moteur thermique par une consigne de coupure (RQ_mth) et initiée à partir de l’instant de commande de la coupure.
- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la consigne de coupure (RQ_mth) est dépendante de la consigne d’autorisation (CS_auth) déterminée conformément au procédé selon la revendication 4.
- Véhicule automobile comportant un groupe motopropulseur comprenant un moteur thermique et un circuit de refroidissement dudit moteur, le circuit de refroidissement comprenant une pompe mécanique principale entrainée par l’arbre moteur et une pompe auxiliaire électrique, caractérisé en ce qu’en cas de coupure du moteur thermique, le groupe motopropulseur est configuré de sorte à activer la pompe auxiliaire durant une durée d’activation (D_pp) à la suite de l’instant de commande de la coupure, ladite durée d’activation étant déterminée conformément au procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 7.
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