Procédé de détermination de l'inversion du sens de rotation d'un moteur

La présente invention se place, de façon générale, dans le domaine des moteurs à combustion interne pour véhicule automobile.

Plus précisément, l'invention concerne le domaine des arrêts moteur et, en particulier, la présente invention concerne un procédé de détermination de l'inversion du sens de rotation pour moteur à combustion interne équipé d'un vilebrequin muni d'une cible comprenant des dents dont une dent longue, d'un capteur de position du vilebrequin monodirectionnel délivrant un signal servant au comptage des dents, d'un compteur de dents, et d'un dispositif de gestion moteur comprenant un calculateur et un modèle du comportement du moteur en phase de calage, ledit procédé comprenant les étapes consistant à :

• enregistrer le signal issu du capteur de position du vilebrequin et mesurer chaque écart de temps entre deux fronts successifs du signal,

• calculer, sur la base du modèle, l'évolution de la position moteur à partir des écarts de temps entre les fronts du signal issu du capteur de position du vilebrequin, et • estimer la position d'arrêt du moteur.

Depuis plusieurs années, les constructeurs automobiles réfléchissent à des solutions innovantes afin de diminuer les émissions en CO ₂ des véhicules particuliers. Le système dit « Stop and Start » développé récemment s'inscrit directement dans cette optique.

Le système « Stop and Start » se caractérise par l'arrêt du moteur juste avant et pendant l'immobilisation d'un véhicule (feux tricolores, embouteillages...). Sa remise en fonction est automatique et instantanée au « lâcher » de la pédale de frein lorsque le conducteur souhaite repartir par exemple. Ce système consiste donc à faire caler le moteur lorsque l'on n'en a pas besoin et à le redémarrer dès que le conducteur le souhaite.

L'application de ce système nécessite d'améliorer le temps de démarrage des moteurs à combustion interne qui est trop longs.

Ce temps de démarrage se décompose en deux temps, un premier temps dit "de phasage moteur" s'étendant entre la première rotation du démarreur et la première combustion, et un deuxième temps dit "de montée en régime" qui part de la première combustion et s'achève avec le régime de ralenti stable.

Le temps de phasage moteur ne peut pas être très court et est limité, sur les systèmes actuels, par le temps nécessaire au calculateur du dispositif de gestion moteur pour connaître la position du moteur.

Pour réaliser cette fonction, on utilise communément un dispositif muni d'un ensemble capteur/cible. Typiquement, la cible, montée sur le vilebrequin, comporte 60 dents réparties en angles égaux, chaque dent correspondant donc à 6 degrés vilebrequin, et comprend un repère angulaire appelé « dent longue » défini par deux dents supprimées.

A l'heure actuelle, les systèmes implantés pour la gestion du moteur utilisent cette dent longue pour se synchroniser. C'est-à-dire que, lors d'un démarrage, il faut attendre de voir cette dent longue avant de piloter la première combustion. En fonction de la position d'arrêt du moteur, le temps nécessaire pour atteindre ladite dent longue est variable, ce qui pénalise le temps de démarrage du moteur en le rallongeant.

Pour diminuer le temps de démarrage, une solution consiste à connaître la position d'arrêt du moteur. Cette tâche est difficile à réaliser à l'aide des capteurs de position du vilebrequin classiques monodirectionnels car ils ne sont pas capables de donner le sens de rotation du moteur. Or, durant le calage, le moteur peut changer de sens de rotation plusieurs fois et le décompte alors effectué par un capteur monodirectionnel est complètement erroné.

Deux moyens majeurs existent actuellement pour déterminer cette position d'arrêt moteur :

- l'utilisation d'un capteur bidirectionnel, ou - l'utilisation d'un capteur monodirectionnel combiné à un procédé de comptage de dents (algorithme).

Or l'utilisation d'un capteur bidirectionnel induit des coûts de fabrication supplémentaires.

L'invention se place donc dans le contexte des dispositifs utilisant un capteur monodirectionnel combiné à un procédé de comptage de dents.

L'avantage d'une telle solution étant qu'elle ne nécessite pas de composants supplémentaires par rapport aux dispositifs classiques, puisque seul un algorithme est implanté dans la couche applicative du dispositif de gestion moteur.

De tels algorithmes sont connus de l'état de la technique, par exemple du document SAE 2005-01 -0048 « Engine Position Tracking at Shutdown ».

Dans ce document, le procédé se base sur l'observation du signal délivré par le capteur placé sur le vilebrequin. Le procédé calcule un régime estimé à partir d'une extrapolation à l'ordre deux du régime, compare ce régime estimé au régime réel, et si une différence sensible (c'est à dire au-delà d'une valeur seuil) est observée, le procédé considère qu'une inversion du sens de rotation du moteur a eu lieu.

Le problème lié à un tel procédé est notamment lié à la nécessité de calibrer une valeur limite à partir de laquelle une inversion du sens de rotation du moteur est détectée.

En outre, il nécessite de nombreuses opérations mathématiques, coûteuses en termes de ressources utilisées dans le calculateur du dispositif de gestion moteur.

La présente invention vise à s'affranchir de ces problèmes en proposant une solution simple et facile à mettre en œuvre. A cette fin, le procédé selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique donnée en début de description, est caractérisé en ce que le modèle du comportement du moteur est une fonction polynomiale du second degré du temps, et en ce que la position d'inversion du sens de rotation du moteur est estimée à partir du calcul de la position du sommet de cette fonction polynomiale du second degré. Par une solution consistant en une fonction polynomiale du second degré, le nombre d'opérations mathématiques, et les ressources nécessaires, sont limitées.

Avantageusement, le sommet de la fonction polynomiale du second degré est estimé à partir d'au moins trois fronts successifs du signal issu du capteur de position du vilebrequin. Dans le mode de réalisation préféré, le temps théorique d'inversion du sens de rotation du moteur correspondant au sommet de la fonction polynomiale du second degré est le temps pour lequel la dérivée au premier ordre de cette fonction est nulle.

Le procédé selon l'invention comprend ainsi un test d'inversion du sens de rotation du moteur dans lequel une fonction du temps auquel arrive le nouveau front suivant le dernier des fronts utilisés pour l'estimation du sommet de la fonction polynomiale du second degré est comparée à une fonction du temps théorique d'inversion du sens de rotation du moteur.

Ainsi, lorsque la variable définissant le test d'inversion est négative, le dispositif de gestion moteur considère qu'une inversion du sens de rotation a eu lieu, et traite le signal issu du capteur de position du vilebrequin en conséquence afin déterminer la position du moteur.

Dans un mode de réalisation préférentiel, lorsque la variable définissant le test d'inversion du sens de rotation du moteur est négative, le compteur de dents est scindé en deux compteurs dont seul l'un compte en considérant l'inversion vraie, et sur lequel se cale le calculateur du dispositif de gestion moteur pour calculer la position moteur ; le procédé selon l'invention comprenant, en outre, une étape de validation dans laquelle, si la dent longue est repérée hors d'une position attendue par le compteur sur lequel le calculateur est calé, le calculateur se cale sur l'autre compteur.

De préférence, quel que soit le mode de réalisation, le calcul de la position du sommet est rafraîchi à chaque front du signal issu du capteur de position du vilebrequin.

Et avantageusement, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre à partir du franchissement d'une valeur seuil du régime moteur, notamment une valeur inférieure ou égale à 500 tours/minutes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins dans lesquels :

- La figure 1 est une représentation schématique de l'évolution de la position du vilebrequin du moteur durant un calage, lorsqu'un procédé conforme à l'invention est utilisé. - La figure 2 est une représentation du modèle mathématique soutenant l'invention.

Un moteur à combustion interne classique muni d'un dispositif de gestion moteur comprend un compteur de dents. Ce compteur est utilisé pour représenter la position du moteur, c'est-à-dire la position angulaire dans laquelle se trouve le vilebrequin par rapport à une référence fixe. Ce compteur de dents est en général un compteur d'impulsions, ces impulsions étant représentatives du passage d'une dent de la cible solidaire du vilebrequin devant le capteur de position du vilebrequin.

Lors d'un calage, un moteur change de sens de rotation une ou plusieurs fois, de façon plus ou moins aléatoire : un moteur peut changer par exemple deux fois de sens de rotation lors d'un calage et trois fois lors d'un calage ultérieur.

De plus, pour un même moteur, deux calages distincts ne produisent pas d'inversion du sens de rotation du moteur au même moment.

Il n'est donc pas possible de construire des algorithmes basés sur une éventuelle séquence d'inversions de sens de rotation du moteur. Le procédé selon l'invention permet de s'extraire de cette contrainte en proposant une solution qui permet de prédire et éventuellement de valider le moment de l'inversion du sens de rotation, quel que soit le moment auquel l'inversion a lieu.

La figure 1 représente la valeur prise par le compteur de dents en fonction du temps au cours d'une phase d'arrêt du moteur s'il tient bien compte des inversions de sens de rotation dudit moteur. Les valeurs en abscisse, données à titre illustratif, sont exprimées en secondes. En ordonnées est reporté le numéro des dents de la cible solidaire du vilebrequin, lesdites dents étant arbitrairement numérotées en partant de la dent longue de référence.

Jusqu'à t = 2,05 s, le moteur tourne dans le sens positif, et le compteur de dents s'incrémente au passage des fronts du signal issu du capteur de vilebrequin.

Entre t = 2,05 s, et t = 2,1 s, le moteur passe par une vitesse nulle, et change de sens de rotation aux environs de la dent numéro 32. Le compteur de dents décroît alors ensuite.

Un nouveau changement de sens de rotation a lieu entre t = 2,15 s et t = 2,2 s aux environs de la dent numéro 20 ; ainsi qu'un autre encore entre t = 2,25 s et t = 2,3 s aux environs de la dent numéro 28.

Durant toute la phase de calage moteur représentée sur cette figure 1, le moteur change donc trois fois de sens de rotation, et s'arrête sur la dent numéro 26.

En l'absence de procédé de détermination du changement de sens de rotation, le compteur de dents ne ferait que s'incrémenter de manière monodirectionnelle, et la position d'arrêt du moteur considérée par le compteur de dents ne serait pas la dent numéro 26, mais plus probablement la dent numéro 54 (valeur obtenue par addition en valeur absolue du nombre de dents comptées entre chaque inversion), soit presque un demi-tour moteur par rapport à la réalité. Le problème est donc de déterminer les moments auxquels le moteur change de sens de rotation, c'est-à-dire les points d'inflexion de la courbe représentée à la figure 1.

A cet effet, la présente invention utilise une modélisation mathématique du comportement moteur au voisinage des inversions de sens de rotation du moteur.

Cette modélisation mathématique est implantée dans la couche applicative du dispositif de gestion moteur, appelée également "electronic control unit" (ECU) en anglais.

Le modèle implanté doit être optimisé pour représenter suffisamment correctement le comportement réel du moteur, sans pour autant pénaliser les ressources de calcul en surchargeant l'ECU d'opérations.

Dans cette optique, le modèle implanté consiste à représenter le comportement moteur au voisinage d'une inversion du sens de rotation du moteur par une fonction polynomiale du second degré (en d'autres termes, une parabole.

A cet effet, on définit la position moteur y en fonction du temps t comme suit : y = a.t ² + b.t + c où a, b et c sont trois réels. Cette approximation mathématique est représentée sur la figure 2.

La figure 2 est une courbe dont l'axe des abscisses correspond au temps t et l'axe des ordonnées correspond à la position du moteur. Avec une cible solidaire du vilebrequin comportant 60 dents, chaque dent représente 6° de rotation du vilebrequin. On considère donc que chaque front détecté (un pour le début de dent, un autre pour la fin de dent) représente 3° de rotation du vilebrequin. Ainsi le passage du début d'une dent d devant le capteur vilebrequin génère un front (montant dans ce cas) y à un temps t1. Le passage de la fin de la dent d génère un front (descendant dans ce cas) y+3° à un temps

t2. Et le passage du début de la dent suivante d+1 génère un front (montant dans ce cas) y+6° à un temps t3.

A l'évidence, ce raisonnement s'applique tout aussi bien si le front y représente le passage de la fin de la dent d. Auquel cas, le front y+3° représente le début de la dent d+1 , etc.

Les points (t1 ; y), (t2 ; y+3°), (t3 ; y+6°) servent à calculer l'abscisse du sommet de la parabole passant par ces trois points. On peut donc définir (a, b, c) les trois réels tels que :

Ce système d'équations est équivalent à : y = a.t ² + b.t _x +c

2> = a{t ₂ ² - t ² )+b{t ₂ - t _x )

3 = a.(t ² - t ² )+b{t _} - t ₂ )

Des deux dernières équations, on tire l'équation qui lie a et b :

4 ₃ ² - 2t ₂ ² + t, ² ) = -b.(t ₃ - 2t ₂ + O

Par un calcul de dérivée du premier ordre, on peut calculer le point d'inflexion de la courbe polynomiale du second degré, pour lequel la dérivée est nulle.

De cette manière, le dispositif de gestion moteur calcule le temps théorique t _th correspondant au point d'inflexion S de la courbe, et donc la position moteur correspondante (à savoir sur la figure 2, entre y+6° et y+9°). Le front suivant arrive au temps t4. A ce temps t4 correspond :

- soit la fin de la dent d+1 générant un front y+9°, s'il n'y a pas d'inversion du sens de rotation du moteur,

- soit de nouveau le début de la dent d+1 générant un front y+6°, s'il y a inversion. Ainsi, à l'arrivée du front au temps t4, la valeur positive ou négative de l'écart entre ce temps t4 et le temps d'inversion théorique t _th détermine si le moteur a, ou non, changé de sens de rotation.

On peut donc définir A la variable du test à réaliser pour déterminer une inversion. Le calcul se faisant au temps t4, il s'agit de comparer la valeur de t4 à la valeur du temps correspondant au temps pour lequel la dérivée au premier ordre de la fonction polynomiale du second degré est nulle, soit :

2a ⁴ 2(/ ₃ - 2f ₂ -H r, )

Si A est positive, le sommet de la parabole est estimée après le front actuel t4 : il n'y a pas d'inversion du sens de rotation du moteur.

Si A est négative, le sommet de la parabole est estimée avant le front actuel t4 : il y a inversion.

Toutefois, les calculs précités doivent se faire avec un temps absolu, ce qui pose des difficultés de mise en œuvre. Aussi de préférence, l'invention définit un temps relatif consistant à mesurer les écarts entre les événements (passages des dents devant le capteur générant des fronts montants et descendants du signal vilebrequin). Typiquement, on utilise à cet effet des temporisateurs (« timers » en anglais), mis à jours de préférence à chaque front.

Dans le modèle, on effectue donc le changement de variables suivant, avec ti, X ₂ , t ₃ , et U les temps successifs auxquels arrivent respectivement quatre fronts successifs du signal issu du capteur de position vilebrequin :

De plus, pour simplifier les calculs, on peut supposer que t _\ est égal à 0. La variable A du test devient alors :

Soit, au final :

_λ _ T ₂ T ₃ T _{2 +} T ₃ T - T 1

Dans le test d'inversion du sens de rotation du moteur selon l'invention, on a donc t, le temps auquel arrive un front du signal issu du capteur de position vilebrequin et t, ₊₁ le temps auquel arrive le front suivant du signal issu du capteur de position vilebrequin

; T ₁ l'écart entre deux fronts successifs du signal, et T ₁₊₁ l'écart entre deux fronts successifs du signal dont le premier front est le dernier des fronts de l'écart T ₁ .

Ce test est mis en œuvre, de préférence, à chaque front du signal issu du capteur de position vilebrequin. Dans ce cas, l'écart T2 mesuré pour un front f devient l'écart T1 pour le front suivant f+1 , l'écart T3 devient l'écart T2, etc.

Ces mesures d'écarts de temps T1 , T2, T3... sont stockées dans une mémoire du dispositif de gestion moteur.

Le temps t4 que met le front correspondant pour générer un signal, ou plus exactement l'écart T4 entre ce front et le précédent, permet d'estimer si l'inversion a eu lieu par résolution de la variable A du test précité.

Comme vu avec les calculs précédents, le procédé d'estimation d'inversion moteur selon l'invention est basé sur un calcul dans lequel le sommet S de la fonction polynomiale du second degré est estimé à partir de trois fronts successifs. Le sommet S de la fonction, en l'occurrence une parabole, pourrait également être déterminé par un calcul utilisant plus de fronts, mais cela risquerait d'alourdir sensiblement les temps de calcul. Aussi de préférence, l'estimation est réalisée à partir de trois fronts successifs et le calcul est réalisé au front suivant, soit le quatrième.

L'estimation d'inversion du sens de rotation du moteur est donc réalisée à l'arrivée du front suivant le dernier des fronts utilisés pour l'estimation de la position d'inversion.

Une fonction du temps auquel arrive le nouveau front suivant le dernier des fronts utilisés pour l'estimation du sommet de la fonction mathématique du second degré est comparée à une fonction du temps théorique d'inversion moteur. Ainsi, de préférence, l'écart réel correspondant à l'écart entre le nouveau front suivant le dernier des fronts utilisés pour l'estimation du sommet S de la fonction polynomiale et le dernier des fronts utilisés pour l'estimation du sommet S de la fonction polynomiale est comparé à l'écart théorique correspondant à l'écart entre le temps estimé correspondant au sommet S de la fonction polynomiale du second degré et le dernier des fronts utilisés pour l'estimation de la position d'inversion du sens de rotation du moteur. Le calcul de l'estimation d'inversion est, de préférence, réalisé de manière

« glissante », i.e. le calcul de la position du sommet est rafraîchi à chaque front du signal issu du capteur de position vilebrequin.

Avantageusement, le procédé selon l'invention comprend, en outre, une étape de validation dans laquelle, lorsque le test d'inversion est positif, le compteur de dents est scindé en deux compteurs dont seul l'un compte en considérant l'inversion du sens de rotation du moteur comme étant vraie, et sur lequel se cale le calculateur du dispositif de gestion moteur pour calculer la position moteur et l'autre qui compte en considérant l'inversion du sens de rotation du moteur comme étant fausse. Si la dent longue est repérée hors d'une position attendue par le compteur sur lequel le calculateur est calé, le calculateur se cale alors sur l'autre compteur.

Le procédé selon l'invention n'est avantageusement mis en oeuvre qu'à partir du franchissement d'une valeur seuil du régime moteur, notamment une valeur inférieure ou égale à 500 tours/minutes.