Améliorer le rendement énergétique grâce aux moteurs sans balais dans les pompes à carburant intégrées au réservoir

Systèmes de transmission Delphi, Troy, Michigan

La plupart des systèmes de carburant automobiles utilisent un module de distribution de carburant (FDM) avec des composants pour filtrer et pomper l'essence à une pression et un débit spécifiés du réservoir de carburant au moteur. Le FDM utilise un ensemble réservoir pour maintenir une alimentation en carburant à l'entrée de la pompe et prendre en charge des composants tels que des régulateurs et/ou des limiteurs de pression, des filtres, un capteur de niveau et les connexions électriques et hydrauliques qui traversent le réservoir. Les systèmes actuels utilisent principalement des composants électriques passifs tels que des pompes à brosses et des capteurs de niveau de carburant résistifs qui sont connectés indépendamment à une alimentation en tension et à un module de commande de carrosserie, respectivement. Les niveaux de débit élevés de ces systèmes nécessitent des pompes haute puissance pouvant fonctionner en continu dans des conditions de vitesse maximale. Certains systèmes plus récents peuvent utiliser un contrôleur de tension pour moduler la tension d'alimentation de la pompe à des vitesses discrètes en fonction de la demande projetée du moteur, et apporter une certaine amélioration de la consommation électrique.

L'architecture du véhicule avec le module intégré qui inclut le contrôleur sans balais au sein du FDM

Un nouveau FDM utilise un moteur sans balais (BL) dans l'ensemble pompe et comprend un contrôleur intégré pour assurer la commutation électrique du moteur. Étant donné que la pompe BL est plus efficace que la pompe à brosse et que le contrôleur assure un contrôle de vitesse en boucle fermée, cette solution offre des améliorations significatives en termes de consommation d'énergie et, par conséquent, d'émissions de dioxyde de carbone (CO2). Un autre avantage de la pompe BL réside dans le couplage magnétique entre le stator et le rotor du moteur et l'élimination des contacts qui peuvent s'user et/ou se filmer dans les carburants agressifs. Cela améliore la durabilité et la fiabilité du FDM.

De plus, le contrôleur intégré fournit des diagnostics de pompe et peut comprendre des circuits de traitement de signal de capteur à l'intérieur de l'ensemble réservoir pour permettre des informations supplémentaires sur l'état de santé et/ou fournir d'autres améliorations des performances du système par interface avec des technologies de détection améliorées telles qu'un capteur de niveau de carburant sans contact. Le contrôleur BL bénéficie de la proximité de la pompe en plus de la réduction du bruit couplée à la phase de détection EMF (ElectroMotive Force) pour les mesures de vitesse du moteur sans capteur.

La figure montre une architecture de véhicule avec le module intégré qui inclut le contrôleur BL au sein du FDM. Utilisant une technique similaire à celle du contrôleur de tension pour les pompes à brosses, le contrôleur de pompe BL module le courant qui traverse chacune des trois phases en coupant la tension d'alimentation à haute fréquence. Le temps d'arrêt est ajusté pour atteindre le niveau de courant d'entraînement requis pour maintenir la vitesse de la pompe au niveau commandé par le module de commande du moteur (ECM). Ce signal de tension à modulation de largeur d'impulsion (PWM) permet un contrôle de vitesse en boucle fermée pour garantir un débit de carburant indépendant des facteurs environnementaux tels que la pression, la tension d'alimentation, les propriétés du carburant et la température.

De plus, le contrôleur BL compense les variations des paramètres de la pompe et la dérive induite par le temps. L'ensemble FDM intégré optimise les performances du système en minimisant la distance par rapport à la pompe BL et en fournissant un algorithme de contrôle adapté aux exigences de conception et d'application de la pompe. De plus, le contrôleur BL comprend des diagnostics de pompe pour surveiller la tension d'alimentation, les courants de variateur, la température du contrôleur et la vitesse du moteur. Les variations de ces paramètres en dehors des limites prévisibles et/ou acceptables peuvent provoquer l'arrêt du système pour éviter des dommages ou simplement communiquer une condition anormale à l'ECM.

Des techniques d'ingénierie robustes et d'autres outils statistiques ont été utilisés pour dériver la solution optimale répondant aux exigences strictes en matière de couple, de vitesse, de pression et de débit. Une conception factorielle complète des expériences a été exécutée à l'aide d'outils analytiques pour simuler les performances du moteur et dériver la combinaison de paramètres qui répondent aux exigences de couple et d'efficacité de l'application tout en minimisant le couple d'encoche, l'ondulation du couple et l'attraction magnétique déséquilibrée qui entraînent un excès de vibrations et de bruit. La combinaison optimale et les résultats analytiques ont été confirmés par des tests en laboratoire utilisant des ensembles moteurs. Les expériences ont abouti à une conception de moteur comportant 9 pôles dans le stator et 10 pôles dans le rotor. La configuration du bobinage a été réglée pour répondre à un couple supérieur à 0,10 Nm à 12 Volts et 5 000 tr/min, avec un rendement de 68 % avec les niveaux de tolérance de conception de l'assemblage.

Ce travail a été réalisé par Duane Collins, Philip Anderson, Sharon Beyer et Daniel Moreno de Delphi Powertrain Systems. Le document technique complet sur cette technologie est disponible à l'achat auprès de SAE International à l'adresse http://papers.sae.org/2012-01-0426  .