FR3048454A1 - Dispositif et procede d'equilibrage d'un moteur thermique multicylindre - Google Patents

Abstract

Procédé d'équilibrage d'un moteur thermique multicylindre, comprenant les étapes suivantes : • entrainement du moteur thermique au moyen d'un moteur électrique asservi en vitesse sur la vitesse (V) du moteur thermique, • mesure, pour chaque cylindre, d'un couple correctif élémentaire (CCE) associé au dit cylindre, exercé par le moteur électrique sur le moteur thermique, • détermination, pour chaque cylindre, d'une correction de la masse de carburant à injecter, apte à compenser ledit couple correctif élémentaire (CCE).

Description

La présente invention concerne l’équilibrage d’un moteur thermique multicylindre.

Dans un moteur thermique multicylindre, chaque cylindre contribue, durant un secteur angulaire du cycle, à fournir un couple élémentaire. L’addition de ces couples élémentaires contribue à produire un couple résultant du moteur thermique. Afin que le moteur tourne « rond >>, et produise un couple résultant régulier et angulairement équilibré, il convient que les couples élémentaires issus de tous les cylindres soient sensiblement égaux. Or, différents paramètres parmi lesquels : l’efficacité volumétrique, le taux de compression, la masse de carburant injectée, peuvent différer d’un cylindre à l’autre et provoquer des variations causant des couples élémentaires différents.

Afin de corriger ces différences, il est connu d’observer le moteur thermique en fonctionnement afin d’estimer le couple élémentaire de chaque cylindre, classiquement au moyen de mesures de temps de dent d’un capteur vilebrequin, et de les compenser en variant la quantité de carburant injectée dans chaque cylindre en conséquence. Il est ainsi possible d’équilibrer un moteur thermique.

Une telle approche présente cependant au moins deux inconvénients. Le premier inconvénient est que la correction est réalisée en post-traitement, et que durant une phase initiale d’apprentissage le moteur thermique doit fonctionner un certain temps sans correction, donc en étant déséquilibré. Ceci peut être dommageable pour le moteur lui-même. De plus ceci dégrade le ressenti du conducteur. Un autre inconvénient, lié à l’utilisation des temps de dent pour estimer les variations de couple, est que cette approche ne peut pas être utilisée sur toutes les plages de fonctionnement du moteur. L’invention propose une alternative ne présentant pas ces inconvénients. Un moteur électrique est utilisé pour entrainer le moteur thermique. Le moteur électrique est asservi en vitesse sur la vitesse du moteur thermique. Il s’ensuit que le moteur électrique produit un couple correctif afin de corriger les variations de couple. Ceci équilibre le moteur thermique.

Un couple correctif élémentaire associé à chaque cylindre, est exercé par le moteur électrique sur le moteur thermique. Ce couple correctif élémentaire est avantageusement mesuré. Une correction de la masse de carburant à injecter, compensant ledit couple correctif élémentaire, est déterminée pour chaque cylindre.

Selon une autre caractéristique, cette correction peut être appliquée lors d’une étape d’injection.

Selon une autre caractéristique, la mesure des couples correctifs élémentaires est déduite d’un courant de commande du moteur électrique.

Selon une autre caractéristique, la mesure des couples correctifs élémentaires comprend les étapes suivantes : • mesure d’un couple correctif résultant, • équipartition d’une plage angulaire correspondant à un cycle moteur en un nombre de secteurs égal au nombre de cylindres, • association à chaque cylindre du secteur dans lequel ledit cylindre est propulseur, le couple correctif élémentaire associé à un cylindre étant égal au couple correctif résultant dans le secteur associé et nul dans les autres secteurs.

Selon une autre caractéristique, la correction est déterminée en fonction du couple correctif élémentaire et éventuellement d’au moins un paramètre de fonctionnement du moteur.

Selon une autre caractéristique, la correction déterminée est enregistrée, et indexée en fonction du couple correctif élémentaire et le cas échéant dudit au moins un paramètre de fonctionnement du moteur, pour être réutilisée ultérieurement.

Selon une autre caractéristique, une phase apprentissage, comprenant les étapes d’entrainement, de mesure et de détermination, est appliquée en continu ou à la demande ou uniquement dans des zones de fonctionnement spécifiques ou uniquement dans une phase initiale jusqu’à ce que toutes les corrections souhaitées soient déterminées.

Selon une autre caractéristique, une phase exploitation, comprenant l’étape d’injection, est appliquée en continu.

Selon une autre caractéristique, le moteur électrique est une machine électrique d’un véhicule hybride thermique / électrique.

Selon une autre caractéristique, le moteur électrique n’est plus utilisé pour l’équilibrage, lorsque les couples correctifs élémentaires sont sensiblement compensés par les corrections. L’invention concerne encore un dispositif comprenant une unité de contrôle électronique et des moyens pour une mise en œuvre des étapes d’un procédé selon l’invention. L’invention concerne encore un véhicule comprenant un tel dispositif. - la figure 1 présente un diagramme indiquant la masse de carburant consigne pour chaque cylindre, - la figure 2 présente un diagramme indiquant le couple élémentaire pour chaque cylindre, - la figure 3 présente un diagramme indiquant le couple correctif élémentaire pour chaque cylindre. - la figure 4 présente un diagramme indiquant la correction de masse de carburant pour chaque cylindre, - la figure 5 présente un diagramme temporel comparatif des grandeurs couple, couple correctif et vitesse. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-aprés.

Afin de piloter un moteur thermique, il est déterminé, pour chaque cylindre, une consigne de masse de carburant MF à injecter, typiquement par une unité de contrôle moteur, ou ECU pour « Engine Control Unit >> en anglais. Cette consigne est, de manière connue, déterminée en fonction de différents paramétres, tels que la position de la pédale d’accélérateur, la charge, le régime moteur, etc.

Un exemple d’une telle consigne de masse de carburant MF est illustrée, en fonction d’un numéro de cylindre, ici compris entre 0 et 3 et se répétant périodiquement, à la figure 1.

Cette consigne de masse de carburant MF est utilisée pour commander l’injection du carburant. Cependant, du fait de plusieurs facteurs perturbants, une même masse de carburant MF injectée ne produit pas nécessairement un même couple élémentaire CE dans un cylindre. Les facteurs perturbants ont principalement pour causes des dispersions qui peuvent être spatiales et/ou temporelles. Ainsi l’efficacité volumétrique peut varier d’un cylindre à l’autre dû à des variations dimensionnelles ou comportementales d’un cylindre à l’autre. Le taux de compression peut aussi varier d’un cylindre à l’autre en fonction de la nature ou composition du carburant et/ou de la température et/ou de la pression dans un cylindre. La masse de carburant effectivement injectée peut encore être différente de sa consigne MF du fait de différences dimensionnelles ou comportementales d’un injecteur à l’autre.

Ceci conduit à une dispersion des couples élémentaires CE. La figure 2 illustre les couples élémentaires CE obtenus, en fonction d’un numéro de cylindre, en appliquant les consignes de masse de carburant MF de la figure 1.

La dispersion des couples élémentaires CE cause un déséquilibre du moteur thermique. Ainsi le couple résultant, somme des différents couples élémentaires CE n’est pas régulier, alors même que les cylindres sont angulairement équirépartis autour du vilebrequin et que leur contributions sont temporellement équiréparties, même dans le cas où les consignes MF sont identiques.

Afin de compenser ce déséquilibre, le moteur thermique est entrainé au moyen d’un moteur électrique, lequel moteur électrique étant avantageusement asservi en vitesse sur une consigne égale à la vitesse moyenne du moteur thermique.

La dispersion des couples élémentaires CE respectivement produits par chacun des cylindres, a pour conséquence une oscillation de la vitesse angulaire V du moteur autour de sa valeur moyenne. L’asservissement du moteur électrique en vitesse, afin de lisser ladite vitesse angulaire V à une valeur moyenne, exerce sur le moteur thermique, un couple correctif CC. Ce couple correctif CC peut être réparti angulairement sur les différents cylindres, avec un couple correctif élémentaire CCE associé à chaque cylindre.

La figure 3 illustre les couples correctifs élémentaires CCE en fonction des numéros de cylindre, produits par le moteur électrique asservi en vitesse. Du fait de l’asservissement en vitesse ces couples correctifs CCE compensent les différences entre les couples élémentaires CE de la figure 2 et « répondent » à ces couples élémentaires CE. Ainsi, les couples corrigés élémentaires, définis pour chaque cylindre comme la somme du couple élémentaire CE et du couple correctif élémentaire CCE, sont sensiblement égaux d’un cylindre à l’autre.

La seule application du moteur électrique asservi au moteur thermique réalise un équilibrage du moteur thermique. Cet équilibrage est sensiblement immédiat, puisqu’il est effectif dés que le moteur électrique fonctionne et que l’asservissement en vitesse converge. L’invention va cependant plus loin. Elle ajoute une étape de détermination, pour chaque cylindre, d’une correction FAC de la masse de carburant MF à injecter, apte à compenser ledit couple correctif élémentaire CCE. Au cours de cette étape, pour chaque cylindre, il est déterminé une correction FAC de la masse de carburant MF.

Il a été vu que les facteurs perturbants étaient nombreux. La plupart d’entre eux (efficacité volumétrique, taux de compression, etc.) ne sont pas maîtrisables. Le paramétre le plus aisé à piloter est la masse de carburant injecté, qui est alors retenu pour corriger les perturbations, toutes causes confondues.

Une correction FAC est déterminée de telle manière qu’une masse de carburant corrigée, égale à la masse de carburant MF initialement déterminée par l’ECU (et telle que le cylindre produise un couple élémentaire CE) pondéré de la correction FAC, soit MF x FAC, conduise ledit cylindre à produire un couple corrigé CE + CCE. Dès que les corrections FAC sont connues pour au moins une zone de fonctionnement du moteur, le procédé peut ajouter une étape appliquant lesdites corrections FAC, dans ladite zone. Dans une telle étape, le procédé injecte, dans chaque cylindre, une masse de carburant MF corrigée de ladite correction FAC, soit une masse de carburant corrigée égale à MF x FAC. Il s’ensuit que chaque cylindre produit alors un couple corrigé élémentaire CE + CCE. Il s’ensuit que les nouveaux couples produits par les cylindres sont sensiblement égaux, et que le moteur thermique est équilibré.

Le moteur électrique peut toujours être présent et actif. Cependant, la vitesse V du moteur thermique étant maintenant lisse, l’asservissement en vitesse ne produit sensiblement plus d’action corrective.

Pour que le procédé fonctionne et permette de déterminer les corrections FAC, le moteur thermique doit être en fonctionnement. Le moteur thermique peut, au choix, être démarré avant ou après le moteur électrique.

La mesure des couples correctifs, tant pour le couple correctif résultant que pour les couples correctifs élémentaires, peut être réalisée par tout moyen. Ainsi de manière triviale un couplemètre peut être disposé en un point quelconque de la chaîne d’entraînement entre moteur thermique et moteur électrique.

Selon une caractéristique avantageuse, si le moteur électrique le permet, la mesure des couples correctifs élémentaires CCE et/ou résultant CC est déduite d’un courant de commande du moteur électrique. Ainsi le courant de commande du moteur électrique, tel qu’issu du contrôleur réalisant l’asservissement en vitesse, constitue avantageusement une image du couple exercé par le moteur électrique sur le moteur thermique, soit une image du couple correctif CC, CCE.

Selon un mode de réalisation possible, la mesure des couples correctifs élémentaires CCE peut être réalisée selon les étapes suivantes. Un couple correctif résultant CC, soit sur la plage angulaire correspondant à un cycle moteur, soit le couple correctif résultant CC exercé par le moteur électrique sur le moteur thermique est mesuré, par un couplemètre ou par le courant de commande du moteur électrique. La plage angulaire est divisée en secteurs angulaires de même taille selon un nombre de secteurs égal au nombre de cylindres. Chacun des secteurs angulaires ainsi obtenu est associé au cylindre dont la phase propulsive est située dans ledit secteur angulaire. La phase propulsive est la phase d’explosion où le cylindre produit l’essentiel de son couple élémentaire CE.

Le couple correctif résultant CC est la superposition des couples correctifs élémentaires CCE associés à tous les cylindres. Le couple correctif élémentaire CCE associé à un cylindre est égal au couple correctif résultant CC dans le secteur angulaire associé audit cylindre et nul dans les autres secteurs.

La correction FAC peut être déterminée par toute méthode.

La correction FAC dépend au moins du couple correctif élémentaire CCE, et ce selon une fonction avantageusement croissante. Cette fonction peut être déterminée théoriquement par une modélisation du moteur thermique ou encore expérimentalement au banc.

La détermination de la correction FAC peut être affinée en la faisant dépendre d’un ou plusieurs paramétres de fonctionnement du moteur. Ainsi la fonction déterminant la correction FAC peut dépendre, en plus du couple correctif élémentaire CCE, d’une température, d’une pression, du régime moteur, de la charge du moteur, etc.

La fonction donnant la correction FAC en fonction de la valeur du couple correctif élémentaire CCE, et le cas échéant d’au moins un autre paramétre, peut s’exprimer analytiquement, au moyen d’une abaque cartographiée ou encore par une fonction tabulée.

La correction FAC est avantageusement enregistrée, et indexée en fonction de ses variables de détermination : le couple correctif élémentaire CCE et le cas échéant ledit au moins un paramétre de fonctionnement du moteur. Ainsi cette correction FAC peut être réutilisée ultérieurement, typiquement dans l’étape d’injection.

En référence à la figure 5 est illustré un découpage temporel du procédé qui fait apparaitre au moins deux phases. La figure 5 montre un diagramme temporel comportant comparativement le couple moteur résultant C, superposition des couples élémentaires CE des différents cylindres successifs, le couple correctif résultant CC, superposition des couples correctifs élémentaires CCE des différents cylindres successifs et la vitesse V du moteur thermique. A l’instant to initial, le moteur thermique démarre et fonctionne en appliquant des masses de carburant MF brutes, telles qu’initialement déterminées par l’unité de contrôle moteur, à chacun des cylindres. Comme vu précédemment, du fait des différentes perturbations, ceci produit des couples élémentaires CE différents, induisant une vitesse V elle aussi perturbée. A l’instant ti le moteur électrique et son asservissement en vitesse sont mis en route. Ceci a pour effet, quasi immédiat, d’équilibrer le moteur thermique. Le moteur électrique asservi produit un couple correctif CC qui compense les différences entres les couples élémentaires CE. Ceci a encore pour conséquence de lisser la vitesse V.

Durant cette phase, que l’on peut nommer apprentissage, les couples correctifs élémentaires CCE sont mesurés, puis les corrections FAC en sont déduites. En fonction du nombre de paramétres considérés pour définir la correction FAC, il peut être utile de parcourir différentes zones de fonctionnement du moteur, afin de pouvoir déterminer les corrections FAC pour ces zones.

Durant cette phase apprentissage, qui se poursuit jusqu’à un instant ta, les trois premières étapes du procédé : entrainement, mesure et détermination, sont réalisées. Cette phase apprentissage peut être appliquée en continu. Elle peut encore être appliquée à la demande ou encore dans des zones de fonctionnement spécifiques. Ainsi la phase apprentissage est appliquée de manière importante durant une phase initiale afin de déterminer une majorité des corrections FAC. Ensuite elle peut être mise au moins temporairement en sommeil. Elle peut ensuite être à nouveau appliquée, par exemple lorsque le moteur fonctionne dans une zone particulière, non encore explorée, telle qu’un régime élevé, afin de compléter la détermination des corrections FAC pour cette zone de fonctionnement. Une fois que toutes les corrections FAC souhaitées sont déterminées, la phase apprentissage peut être définitivement stoppée, définitivement, ou pour un temps. Ce temps peut être, par exemple, le cycle de roulage en cours. L’apprentissage est avantageusement relancé périodiquement afin de tenir compte des différentes causes de dérive : vieillissement, composants, etc. A partir de l’instant t2, des corrections FAC sont disponibles, et peuvent être appliquées, en superposition aux masses de carburant MF initialement calculées par l’ECU. Une phase exploitation, comprenant l’étape d’injection peut alors être appliquée et voir injectées des masses de carburant corrigées. La phase exploitation débute à l’instant t2. Elle est ensuite appliquée en continu jusqu’à l’arrêt du moteur thermique. Après t2, dès lors que les corrections FAC sont appliquées lors de l’étape d’injection, le couple corrigé est tel que les différents couples élémentaires CE sont sensiblement égaux entre eux, d’un cylindre à l’autre. La vitesse V est alors égale à sa valeur moyenne. Le moteur électrique ne produit sensiblement plus de couple correctif CC, CCE.

Le moteur électrique peut être un composant dédié à la fonction d’équilibrage du moteur thermique. La seule contrainte est qu’il soit capable d’entraîner le moteur thermique, au moins pendant la phase d’apprentissage. Cependant, il s’agit d’un composant coûteux. Aussi, selon un mode de réalisation avantageux, l’invention est appliquée à un véhicule hybride thermique / électrique et le moteur électrique réutilise la machine électrique préexistante d’un tel véhicule.

Il a été vu que la phase exploitation s’étend à partir de t2. La phase apprentissage s’étend de ti à ta. Ces deux phases peuvent coexister, entre t2 et ta. Dès que des corrections FAC sont disponibles elles peuvent être utilisées en exploitation. La coexistence est possible car une absence ou une inexactitude des corrections FAC est sans conséquence. Le moteur électrique asservi supplée à cette absence/inexactitude en produisant un couple correctif CC et en assurant l’équilibrage.

Aussi, dans un tel cas, l’apprentissage peut continuer ou reprendre, en parallèle, pendant l’exploitation. Du fait de l’asservissement en vitesse, ceci est automatique. Dès qu’une correction FAC est incorrecte, le moteur électrique produit un couple correctif et une nouvelle correction FAC adaptée est déterminée, autant que de besoin. Un tel besoin peut se présenter, par exemple, lorsque le moteur vient à fonctionner dans une zone de fonctionnement non encore rencontrée. A l’instant ta, il est éventuellement considéré que la phase apprentissage est terminée, parce que toutes les corrections FAC sont supposées déterminées. Le moteur électrique et/ou son asservissement ne sont plus nécessaires et peuvent être désactivés. Une désactivation s’entend ici électrique (mise hors tension) et/ou mécanique (désaccouplement, débrayage). La désactivation suppose que le moteur n’est plus utilisé pour l’équilibrage. Il peut cependant être utilisé pour une autre fonction, telle que sa fonction première d’hybridation. L’invention concerne encore un dispositif, typiquement une unité de contrôle électronique et/ou informatique, par exemple une unité de contrôle moteur, y compris son programme, apte à implémenter un tel procédé d’équilibrage. L’invention concerne encore un véhicule comprenant un tel dispositif.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé d’équilibrage d’un moteur thermique multicylindre, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : • entrainement du moteur thermique au moyen d’un moteur électrique asservi en vitesse sur la vitesse (V) du moteur thermique, • mesure, pour chaque cylindre, d’un couple correctif élémentaire (CCE) associé au dit cylindre, exercé par le moteur électrique sur le moteur thermique, • détermination, pour chaque cylindre, d’une correction (FAC) de la masse de carburant (MF) à injecter, apte à compenser ledit couple correctif élémentaire (CCE).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant encore une étape suivante : • injection, dans chaque cylindre, d’une masse de carburant (MF) corrigée de ladite correction (FAC).
3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, où la mesure des couples correctifs élémentaires (CCE) est déduite d’un courant de commande du moteur électrique.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, où la mesure des couples correctifs élémentaires (CCE) comprend les étapes suivantes : • mesure d’un couple correctif résultant (CC), • équipartition d’une plage angulaire correspondant à un cycle moteur en un nombre de secteurs égal au nombre de cylindres, • association à chaque cylindre du secteur dans lequel ledit cylindre est propulseur, le couple correctif élémentaire (CCE) associé à un cylindre étant égal au couple correctif résultant (CC) dans le secteur associé et nul dans les autres secteurs.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, où la correction (FAC) est déterminée en fonction du couple correctif élémentaire (CCE) et éventuellement d’au moins un paramètre de fonctionnement du moteur.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, où la correction (FAC) déterminée est enregistrée, et indexée en fonction du couple correctif élémentaire (CCE) et le cas échéant dudit au moins un paramètre de fonctionnement du moteur, pour être réutilisée ultérieurement.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, où une phase apprentissage, comprenant les étapes d’entrainement, de mesure et de détermination, est appliquée en continu ou à la demande ou uniquement dans des zones de fonctionnement spécifiques ou uniquement dans une phase initiale jusqu’à ce que toutes les corrections (FAC) souhaitées soient déterminées.
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, où une partie exploitation, comprenant l’étape d’injection, est appliquée en continu.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, où le moteur électrique est une machine électrique d’un véhicule hybride thermique / électrique.
10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, où le moteur électrique n’est plus utilisé pour l’équilibrage, lorsque les couples correctifs élémentaires (CCE) sont sensiblement compensés par les corrections (FAC).
11. 11. Dispositif comportant une unité de contrôle électronique, et des moyens de mise en oeuvre d’un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
12. 12. Véhicule comprenant un dispositif selon la revendication précédente.