Brevet FR2516983A1 — publié le 19830527

Dispositif de commande pneumatique de la pression de surali- mentation d'un moteur turbocompressé. La présente invention concerne la commande de la vanne de décharge des turbocompresseurs. On sait que les moteurs thermiques alimentés par turbo- compresseur comportent toujours une vanne de décharge bipas- sant le coté turbine du turbocompresseur, faute de quoi la pression d'alimentation au moteur risquerait d'augmenter indéfiniment jusqu'à une valeur dangereuse. Pour commander ce clapet de décharge, il est connu d'uti- liser un vérin pneumatique à membrane, avec ressort de rappel agissant dans le sens de la fermeture du clapet, et de faire agir sur ce vérin dans le sens de l'ouverture la pression prélevée à la sortie de la partie compresseur Ce dispositif 1-5 présente l'avantage de la simplicité et permet de réguler par une décharge progressive la pression d'admission du moteur tout en empêchant que cette pression atteigne une valeur dangereuse. On sait d'autre part, que pour les faibles charges du moteur, la pression et le débit des gaz d'échappement ne sont pas suffisants pour que le turbocompresseur fournisse une pression d'alimentation significative Au contraire, à partir d'un certain seuil o le turbocompresseur commence à devenir efficace, la pression d'alimentation augmente d'une manière significative, ce qui augmente du même coup le taux de rem- plissage, donc la pression et le débit des gaz d'échappement, et par un effet de rétroaction la pression d'alimentation continue à augmenter On passe ainsi d'une manière franche de la phase atmosphérique à la phase suralimentée, cette dernière entratnant a posteriori l'intervention du dispositif de régu- lation précédent Cependant, malgré sa simplicité, le dispo- sitif rappelé ci-dessus présente l'inconvénient qu'en phase atmosphérique le côté turbine du turbocompresseur constitue une perte de charge à l'échappement qui abaisse le rendement du moteur, et également un refroidissement des gaz d'échap- pement par augmentation des pertes calorifiques, ce qui pré- sente un inconvénient lors de l'utilisation d'un réacteur catalytique anti-pollution Il serait donc souhaitable de supprimer cette perte de charge et cette perte calorifique pendant la phase atmosphérique. Il est connu en outre qu'un moteur turbocompressé peut supporter en régime transitoire un taux de suralimentation nettement supérieur à celui admis en régime permanent Ceci s'explique en particulier par le fait que la température des parois au contact des gai dans le moteur est à priori moins élevée en début d'accélération qu'en régime stabilisé équi- valent, et également par une meilleure capacité de refroi- dissement de l'échangeur de chaleur D'autres facteurs, tels l'enrichissement en accélération contribuent à autoriser un relèvement momentané de la pression limite de suralimentation. Il serait donc souhaitable dans le dispositif simple rappelé ci-dessus de retarder l'instant auquel a lieu l'intervention de la vanne de décharge lors des périodes d'accélération. Par ailleurs, l'intervention de la vanne de décharge, pour des raisons de sécurité du moteur, ne devrait en fait faire intervenir que la pression en aval du papillon des gaz, c'est-à-dire la pression réelle d'alimentation, qui est géné- ralement inférieure à la pression en amont pour toutes les positions du papillon des gaz autres que la pleine ouverture, ce qui revient encore à restreindre l'intervention de la vanne de décharge. Le but de l'invention est d'éliminer les inconvénients précédents, c'est-à-dire de faire en sorte qu'en phase atmos- phérique on élimine les pertes de charge et calorifiques, et qu'en phase suralimentée on produise un retard à l'ouverture :)O de la vanne de décharge en même temps qu'une commande de sécurité instantanée en fonction de la pression réelle d'ali- mentation. L'invention utilise une vanne de décharge à vérin pneuma- tique de commande de type habituel, mais qui, contrairement à l'habitude est normalement ouverte, c'est-à-dire que le res- sort de rappel du vérin est disposé dans le sens opposé au sens habituel Ce vérin, par exemple du type à membrane, comporte donc deux chambres de commande, dont une chambre de fermeture, telle qu'une augmentation de pression dans cette chambre entratne la fermeture de la vanne, et une chambre d'ouverture située de l'autre côté Contrairement à l'habitude également le tarage de ce ressort ne détermine pas la pression de suralimentation, ce tarage étant par suite beaucoup plus faible qu'à l'ordinaire. L'invention consiste à prélever, par une canalisation de prélèvement, une pression de référence dans la conduite d'ali- mentation en amont du venturi et en aval du compresseur et à la transmettre à un point commun d'o part une autre conduite alimentant la chambre de fermeture, tandis que la chambre d'ouverture est connectée à ce même point commun par l'inter- médiaire d'un étrangleur introduisant une forte perte de charge, et par une conduite de décharge à l'atmosphère par l'intermédiaire d'une vanne manométrique comportant essen- tiellement un clapet, susceptible de venir obturer cette conduite de mise à l'atmosphère, et actionné dans le sens de l'ouverture par un ressort taré et dans le sens de la ferme- ture par l'action de la pression de référence ou-de la pres- sion d'admission, en aval du venturi. De cette manière, en phase atmosphérique, la vanne de décharge est normalement ouverte sous l'effet du ressort de rappel Lorsque la pression d'alimentation atteint une valeur significative, gr Rce à la faiblesse du ressort du vérin de commande cette pression, transmise à la chambre de fermeture, provoque la fermeture de la vanne de décharge puisque l'autre chambre du vérin est ouverte à l'atmosphère Au contraire lorsque cette pression dépasse le seuil de réglage, la vanne manométrique ferme la mise à l'atmosphère de la chambre d'ou- verture, de sorte que la même pression s'établit progressi- vement dans les deux chambres du vérin qui ouvre alors la vanne sous l'effet du ressort de rappel. Cette disposition permet d'insérer dans la conduite reliant le point commun à la vanne manométrique une forte perte de charge doublée d'un clapet anti-retour de manière à retarder l'ouverture de la vanne de décharge en phase surali- mentée En outre, dans ladite canalisation de prélèvement on insère une électrovanne dont le circuit électrique est com- mandé par un contacteur actionné par la commande des gaz de manière à n'ouvrir le passage de cette conduite qu'à partir de la pleine ouverture des gaz, ou peu avant Enfin, dans ce circuit électrique, on interpose un manocontact commandé dans le sens de l'ouverture par la pression régnant dans le conduit d'admission en aval du papillon des gaz lorsque cette pression dépasse un seuil dangereux. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on interpose également dans ladite canalisation de prélèvement, en amont de 1 'électrovanne, une capacité constituant une ré- serve de pression. De cette manière, en phase atmosphérique, la vanne de décharge est normalement ouverte sous l'effet du ressort de rappel comme précédemment Lorsque l'on veut faire intervenir la suralimentation, la pression régnant dans la réserve de pression est transmise à la chambre de fermeture, provoquant la fermeture de la vanne de décharge puisque l'autre chambre du vérin est ouverte à l'atmosphère Lorsque la pression d'admission dépasse le seuil de réglage, la vanne manométrique ferme la mise à l'atmosphère de la chambre d'ouverture, de sorte que la même pression s'établit progressivement dans les- deux chambres du vérin qui ouvre alors la vanne sous l'effet du ressort de rappel. Le moteur peut ainsi fonctionner en phase atmosphérique jusqu'à l'ouverture complète du papillon des gaz, à partir de laquelle intervient la mise en service de la suralimentation. Pour assurer le réglage de la puissance du moteur en phase suralimentée, dans le mode de réalisation préféré, la course de la commande des gaz est prolongée après que l'on ait atteint la pleine ouverture du papillon, de façon à permettre à une commande appropriée d'augmenter progressivement la réaction du ressort de la vanne manométrique, depuis une valeur faible jusqu'à la valeur maximale admise en régime stabilisé; la contre-pression à l'échappement est ainsi li- mitée à sa valeur maximale dans tout le domaine de fonction- nement. Dans un autre mode de réalisation, le réglage de la puis- sance du moteur en phase suralimentée est réalisé par le papillon des gaz, après que l'on ait atteint la pleine ouver- ture du papillon, par l'intervention d'un contacteur à deux positions stables, actionné par le circuit de commande de l'électrovanne de façon à établir la communication entre la réserve de pression et les deux chambres du vérin pneumatique lorsque le papillon des gaz est à pleine ouverture et ne l'interrompre ensuite que pour une position correspondant à une charge moyenne, à déterminer pour disposer d'une progres- sivité suffisante Dans ce cas, la vanne manométrique tend à réguler la pression de référence à une valeur constante. D'autres particularités et avantages de l'invention res- sortiront des dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et sur lesquels: la fig 1 est une vue schématique d'un mode préféré de réalisation du dispositif suivant l'invention; la fig 2 est une vue d'un deuxième mode de réalisation; la fig 3 est une vue d'un troisième mode de réalisation. On voit sur la fig 1 le moteur 1 équipé d'un turbocom- presseur 2 dont la partie turbine 2 a est alimentée par le conduit d'échappement 3 du moteur et dont la partie compres- seur 2 b aspire l'air atmosphérique et alimente le dispositif habituel à venturi 4 et à papillon des gaz 5 par une tubulure 6 Le papillon des gaz règle ainsi le débit d'air admis dans la tubulure d'admission 7. D'une manière connue, l'ensemble comporte une vanne de décharge 8 permettant à une fraction plus ou moins grande des gaz d'échappement 3 de passer directement dans le conduit d'échappement 9 sans traverser la turbine 2 a Cette vanne 8 3 comporte un clapet solidaire d'un levier l Oa relié à une tige actionnée par un vérin pneumatique 11, généralement du type à membrane. Ce vérin comporte un ressort de rappel 12, mais contrai- rement à la disposition habituelle, ce ressort agit dans le sens de l'ouverture de la vanne 8, et son tarage est relati- vement faible, sans commune mesure avec la pression de surali- mentation Sa membrane divise le corps en une chambre de fermeture 13, dont la mise en pression provoque la fermeture de la vanne 8 à l'encontre du ressort 12, et une chambre d'ouverture 14 produisant l'effet inverse. La pression régnant dans le conduit de refoulement 6 en amont du venturi 4 est prélevée en 15 et transmise à travers un clapet anti-retour 15 a à une réserve de pression 16 qui alimente par un conduit 17 et par l'intermédiaire d'une élec- trovanne 19 un conduit commun 18 duquel part une conduite 20 raccordée à la chambre de fermeture 13 En même temps une autre conduite 21 alimente la chambre d'ouverture 14 mais par l'intermédiaire d'un étrangleur 22 constituant une perte de charge importante Cette même chambre d'ouverture 14 commu- nique avec l'atmosphère par l'intermédiaire d'une conduite 23 terminée par une vanne manométrique 24, constituée essentiel- lement par un clapet 25 actionné par une membrane 26 et venant obturer la mise à l'atmosphère de la conduite 23 lorsque la pression régnant sous la membrane 26, dans la chambre de commande 27, est suffisante pour vaincre un ressort de rappel 28 agissant dans le sens de l'ouverture Le tarage de ce ressort est réglé par l'intermédiaire du levier 29 actionné à l'aide d'un câble 30 par la commande des gaz 31 pour que son point d'équilibre corresponde à la pression de suralimentation voulue en régime permanent. En effet, cette chambre de commande 27 est réunie au conduit d'admission 7 par des conduites 32 et 33 et par l'inter- médiaire d'une valve à retard 30 Cette dernière est consti- tuée essentiellement par une forte perte de charge 35 disposée en parallèle avec un clapet anti-retour 36 de manière que :)O l'ensemble oppose une perte de charge importante seulement dans le sens de 33 vers 32. L'électrovanne 19, commandée de préférence dans le sens de l'ouverture, est alimentée par un contact électrique 37 lié à la commande de gaz 31 par un dispositif compensateur élas- tique 38 qui ferme le circuit électrique lorsque le papillon des gaz 5 atteint la pleine ouverture et qui actionne ensuite le cable 30 de tarage de la vanne manométrique 24 En outre, sur le circuit électrique allant du contact 37 à l'électro- vanne 19 est disposé un dispositif de sécurité 39 constitué par un manocontact raccordé au conduit d'admission 7 en aval du papillon des gaz 5 et ouvrant le circuit électrique lorsque la pression dans ce conduit d'admission atteint une valeur dangereuse. Tant que le papillon des gaz 5 n'est pas à pleine ouver- ture, le contact 37 est ouvert, les deux chambres 13 et 14 du vérin 11 sont soumises à la pression atmosphérique par l'élec- trovanne 19 qui obture la conduite 17 et fait communiquer la conduite 18 avec l'atmosphère par 40 Sous l'action du ressort 12, le clapet 8 de la vanne de décharge est donc ouvert au maximum, ce qui fait que la contrepression à l'échappement du moteur 1 est aussi réduite que possible afin d'éviter toute perte de rendement Si l'ensemble est doté d'un réacteur cata- lytique anti-pollution, l'amorçage de celui-ci est relative- ment rapide grâce au fait que les gaz d'échappement ne sont pas refroidis par la traversée de l'étage turbine 2 a du turbo- compresseur 2. Au contraire, lorsque la pédale d'accélérateur 31 est suffisamment enfoncée pour que le papillon des gaz 5 soit en position de pleine ouverture, le contact 37 se ferme et ali- mente l'électrovanne 19, laquelle obture la sortie à l'atmos- phère 40 et fait communiquer les conduits 17 et 18 La pres- sion de suralimentation régnant dans la réserve 16 est alors transmise aux deux branches 20 et 21 Si l'on est en régime permanent de fonctionnement du moteur, il faut alors distin- guer deux régimes de fonctionnement du dispositif de régula- tion de la pression de suralimentation Si la pression de suralimentation régnant en 7 est infé- rieure à la limite spécifiée et correspondant au tarage du ressort 28 de la vanne manométrique 24, celle-ci maintient la chambre 14 ouverte à l'atmosphère, la perte de charge produite par l'étrangleur 22 étant beaucoup plus importante que la perte de charge subie dans la conduite 23 et la vanne mano- métrique Grace à la faiblesse du tarage du ressort 12, le vérin 11 produit alors la fermeture de la vanne de décharge 8, ce qui produit la mise en service du turbocompresseur 2. Lorsque, à la suite de cette mise en service, on dépasse le seuil de la phase atmosphérique pour passer en phase surali- mentée, dès que la pression de suralimentation dépasse la valeur déterminée par le tarage du ressort 28 qui dépend du degré d'enfoncement de la pédale d'accélérateur au-delà de la position correspondant à la pleine ouverture du papillon des gaz, la vanne manométrique 24 coupe la communication à l'at- mosphère du conduit 23, et par suite la pression dans la chambre d'ouverture 14 s'établit progressivement à travers l'étrangleur 22 à la même valeur que la pression régnant dans la chambre de fermeture 13, de sorte que la 'vanne de décharge 8 s'ouvre sous l'effet du ressort 12. En régime permanent, la vanne de décharge 8 tend donc à prendre une position d'équilibre dépendant du degré d'enfon- cement de-la pédale d'accélérateur. Au contraire, au cours d'une phase d'accélération impor- tante, la valve à retard 34 ne transmet la pression en 27 qu'avec un certain retard, ce qui permet d'améliorer la ré- ponse dynamique de l'ensemble en retardant l'ouverture de la vanne de décharge 8 et en faisant fonctionner d'une manière transistoire le moteur 1 à un régime de suralimentation au- delà de la limite de réglage Il ne faut tout de même pas qu'au cours de cette période la pression réelle dans le con- duit d'admission 7 dépasse une valeur dangereuse, ce qui est contrôlé par le dispositif de sécurité 39 qui éventuellement entre en service pour couper l'alimentation de l'électrovanne 19 et ainsi ouvrir la valve de décharge 8. On obtient ainsi toutes les fonctions désirées avec un ensemble relativement simple, automatique et de peu d'entre- tien 2 La variante représente sur la fig 2 est analogue à celle de la fig 1 et elle s'en distingue par le remplacement de la vanne à tarage variable 24 par une vanne 24 a à tarage constant et le remplacement du contacteur simple 37 de la fig. 1; dont les points d'ouverture et de fermeture coïncident avec la pleine ouverture du papillon des gaz, par un contacteur 37 a à deux positions stables et dont la fermeture intervient lorsque le papillon des gaz est à pleine ouverture mais dont l'ouverture est retardée jusqu'au retour du papillon dans une position intermédiaire Dans cet exemple, la course de la pédale d'accélérateur est limitée à une position correspondant à la pleine ouverture du papillon des gaz. De plus, dans cette variante de la fig 2, il est préfé- rable de raccorder le conduit 33 non plus au conduit 7 mais au conduit 6 de manière à prendre comme pression de référence pour commander la vanne manométrique 24 a la pression régnant dans le conduit de refoulement 6, en amont du papillon des gaz. Par ailleurs, le ressort 28 de la vanne 24 a est taré avec précision pour que son point d'équilibre corresponde à la pression de suralimentation voulue en régime permanent sans être modifié par la commande des gaz. Le contact électrique 37 a à deux positions stables est lié à la commande de gaz 31 par un dispositif compensateur élastique 38 a qui ferme le circuit électrique lorsque le papillon des gaz atteint la pleine ouverture et qui ne l'ouvre ensuite qu'aux environs de la moitié de la course de la com- mande de gaz Le dispositif de sécurité 39 est identique au précédent. Lorsque la pédale d'accélérateur 31 est suffisamment enfoncée pour que le papillon des gaz 5 soit en position de pleine ouverture, le contact 37 a se ferme et alimente l'é- lectrovanne 19, laquelle obture la sortie à l'atmosphère 40 et fait communiquer les conduits 17 et 18 La pression de surali- mentation régnant dans la réserve 16 est alors transmise aux deux branches 20 et 21 Si l'on est en régime permanent de fonctionnement du moteur, on a les deux mêmes régimes de fonc- tionnement du dispositif que précédemment, à ceci près que l'ouverture du papillon des gaz peut n'être que partielle, tandis qu'en phase accélération on a le même fonctionnement et le même retard. Le mode de réalisation de la fig 3 se distingue de celui de la fig 2, d'une part par l'absence de la réserve 16 et du clapet anti-retour 15 a, ce qui revient à dire que c'est la conduite de prélèvement 15 qui joue le rôle de l'entrée 17 de l'électrovanne 19, bien qu'il serait possible également de prévoir ces deux organes 16 et 15 a dans ce cas, et d'autre part par le raccordement direct de 33 à la conduite commune 18 en aval de la valve 19. En outre, le contacteur 37 b et son compensateur élastique 38 b sont d'un type plus simple que les précédents et provo- quent la mise en service de la suralimentation par fermeture du circuit avant la pleine ouverture du papillon 5. A ces différences près,-le fonctionnement est analogue à celui de l'exemple qui précède. REVENDICATIONS 1 Dispositif de commande pneumatique de la pression de suralimentation d'un moteur turbocompressé, du type comportant un turbocompresseur ( 2) dont la partie turbine ( 2 a) est ali- mentée par l'échappement ( 3) du moteur ( 1), avec une vanne de décharge ( 8) en dérivation, et dont la partie compresseur ( 2 b) alimente par un conduit de refoulement ( 6) et un papillon des gaz ( 5) la conduite d'admission ( 7) du moteur ( 1), et dans lequel ladite vanne de décharge ( 8) est commandée par un vérin pneumatique ( 11) à ressort de rappel ( 12), caractérisé par le fait que ledit ressort ( 12) du vérin pneumatique ( 11) agit dans le sens de l'ouverture de la vanne de décharge ( 8), qu'une conduite de prélèvement ( 15) prélève la pression dans le conduit ( 6) en amont du papillon des gaz et en aval du compresseur ( 2 b) et la transmet à deux conduits en parallèle, dont un premier ( 20) aboutissant à la chambre de fermeture ( 13) du vérin pneumatique ( 11), et un deuxième conduit ( 21) aboutissant par l'intermédiaire d'un étrangleur ( 22) à la chambre d'ouverture ( 14) de ce vérin, laquelle est en communication par une conduite ( 23) et par l'intermédiaire d'une vanne manométrique ( 24) avec l'atmosphère, tandis qu'un troisième conduit ( 33- 32)> alimente la chambre de commande ( 27) de ladite vanne manométrique ( 24), laquelle comporte un ressort ( 28) taré pour que la mise à l'atmosphère de la con- duite ( 23) soit interrompue lorsque la pression dans la chambre de commande ( 27) dépasse la valeur désirée pour la pression de suralimentation. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que sur ledit troisième conduit ( 33-32) est insérée une valve à retard ( 34) comportant un étrangleur ( 35) à forte perte de charge placé en parallèle avec un clapet anti-retour ( 35) de manière à opposer une forte réduction du débit, seule- ment dans le sens allant vers ladite chambre de commande ( 27). 3 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que sur ledit conduit de prélèvement ( 15) réunissant ledit conduit de refoulement ( 6) auxdits premier ( 20) et deuxième ( 21) conduits est interposée une électrovanne ( 19), qui dans sa position de repos produit la mise à l'atmosphère desdits premier et deuxième conduits, et dans sa position excitée établit la communication entre ledit conduit de refoulement ( 6) et lesdits conduits ( 20-21), le circuit électrique de commande de ladite électrovalve ( 19) étant alimenté à partir d'un contacteur ( 37; 37 a; 37 b)) ac- tionné par la pédale ( 31) de commande des gaz par l'intermé- diaire d'un compensateur élastique ( 38; 38 a; 38 b). 4 Dispositif selon la revendication ( 3), caractérisé par le fait que sur la conduite d'admission ( 7) en aval du papil- lon des gaz ( 5) est interposé un manocontact de sécurité ( 39) dont le contact fonctionnant à l'ouverture est interposé dans le circuit électrique d'alimentation de l'électrovanne ( 19). Dispositif selon une des revendications 3 et 4, carac- térisé par le fait que ledit troisième conduit ( 33) est rac- cordé sur le conduit d'admission ( 7), que le tarage du ressort ( 28) de la vanne manostatique ( 24) est modifié à distance au moyen d'une transmission appropriée ( 30) par la commande des gaz ( 31), que ledit contacteur ( 37) est actionné à partir de la pleine ouverture des gaz et que la commande des gaz ( 31) comporte un supplément de course, au-delà de la position de pleine ouverture, au cours de laquelle intervient ladite commande à distance ( 30) (fig 1). 6 Dispositif selon une des revendications 3 et 4, carac- térisé par le fait que ledit troisième conduit ( 33) est rac- cordé directement sur le conduit de refoulement ( 6), et que le contacteur ( 37 a) ainsi que le compensateur élastique associé ( 38 a) sont agencés pour produire deux positions stables de manière que le contact se ferme pour la pleine ouverture des gaz mais ne s'ouvre ensuite qu'après une fermeture partielle des gaz (fig 2). 7 Dispositif selon une des revendications 3 et 4, carac- térisé par le fait que ledit troisième conduit ( 33) est rac- cordé comme les deux premiers conduits ( 20 et 21) à la sortie ( 18) de l'électrovalve ( 19), et que le contacteur ( 37 b) ainsi que le compensateur associé ( 38 b) sont agencés pour fermer le circuit dans toutes les positions de la commande des gaz ( 31) proches de la pleine ouverture. 8 Dispositif selon une des revendications 5 à 7, carac- térisé par le fait qu'entre le conduit de prélèvement ( 15) et l'entrée 17 de l'électrovalve ( 19) sont interposés un clapet anti-retour ( 15 a) et une capacité ( 16) constituant réserve de pression.