Brevet FR2579670A1 — publié le 19861003

La présente invention concerne les moteurs suralimentés par turbocompresseur, notamment pour vé- hicules automobiles. On sait que de tels moteurs présentent un certain nombre d'inconvénients, et en particulier les suivants: - manque de couple moteur à bas régime. - manque de capacité de reprise. Le couple maximal à bas régime est en effet limité par le pompage du compresseur. Quant à la rapi- dité des accélérations, elle est limitée par l'inertie du ou des turbocompresseur(s, qui à bas régime tour- ne(nt) à vitesse très réduite. Par ailleurs, l'emploi de turbines à géomé- trie fixe avec-soupape de by-pass présente l'inconvé- nient, aux régimes o cette soupape est ouverte, de maintenir la pression d'échappement des gaz à une valeur élevée bien supérieure à la pression d'admis- sion et par conséquent de laisser dans les fonds de cylindres une masse élevée de gaz chauds provoquant un échauffement excessif des pièces mécaniques. De plus. la présence de ces gaz chauds est préjudiciable à un bon remplissage et peut provoquer pour les moteurs à allumage commandé l'apparition prématurée d'une com- bustion détonante. On connait également (DE-A-3 002 701) un dispositif d'alimentation pour un moteur suralimenté. comprenant une turbine à ouverture variable et un compresseur entrainé par cette turbine et muni d'un obturateur réglable permettant de régler le débit d'air à l'entrée de ce compresseur tout en imprimant à l'air admis un mouvement de rotation préalable ou mouvement de pré-rotation. Un tel agencement est inté- ressant, mais tel qu'il est utilisé dans le-document précité, il ne permet pas de remédier simultanément à l'ensemble des défauts énumérés ci-dessus. C'est précisément l'objectif que se propose d'atteindre l'invention. Cette dernière a pour objet un procédé de commande de l'alimentation d'un moteur suralimenté à partir d'un compresseur entraîné par une-turbine, ce compresseur étant muni à son aspiration de moyens réglables imprimant à l'air admis un mouvement de mise en pré-rotation, caractérisé en ce que ledit mouvement de mise en pré-rotation est commandé en fonction du débit d'air dans le compresseur ou de tout autre pa- ramètre équivalent. De façon plus précise, la mise en pré-rota- tion de l'air à l'entrée du compresseur diminue lors- que le débit d'air augmente. De préférence, une valeur minimale de la mise en pré-rotation de l'air à l'entrée du compres- seur est atteinte pour une valeur du débit d'air in- férieure à une valeur maximale de ce débit. L'invention a également pour objet un dispo- sitif d'alimentation pour moteur suralimenté, compre- nant une turbine à ouverture variable et un compres- seur entraîné par cette turbine et muni à son aspira- tion de moyens réglables permettant d'imprimer à l'air admis dans ce compresseur un mouvement de rotation préalable, caractérisé en ce que la position des moyens réglables et l'éventuelle mise en rotation de l'air qui en résulte sont réglées en fonction du débit d'air dans le compresseur ou de tout autre paramètre équivalent. L'invention va être décrite plus en détail ci-dessous en se référant aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et sur lesquels: - la Fig. 1 est un schéma illustrant un dis- positif d'alimentation suivant l'invention; - les Fig. 2 et 3 sont deux vues schémati- ques illustrant des moyens de réglage de l'ouverture de la turbine et d'un distributeur de pré-rotation associé au compresseur; - la Fig. 4-est un diagramme illustrant un mode de réglage du distributeur en fonction du débit d'air; - la Fig. 5 est un diagramme illustrant le fonctionnement du dispositif et les avantages qu'il permet d'obtenir; - la Fig. B est également un diagramme il- lustrant certains avantages de l'invention; et, - la Fig. 7 est une vue schématique d'une variante. On a représenté sur la Fig. 1 un ensemble de turbocompresseur tel qu'utilisé dans un circuit d'a- limentation pour moteur suralimenté. Cet ensemble comprend une turbine 10 dont la roue 11 est entraînée par les gaz d'échappement du moteur associé, après passage dans un distributeur 12 placé à l'entrée de cette turbine. Cette dernière entraine. par l'intermédiaire d'un arbre 30, la roue 21 d'un compresseur 20 sur l'aspiration 22 duquel est placé un distributeur 23 qui sera décrit un peu plus en détail ci-dessous. On a représenté schématiquement à la Fig.2 un mécanisme de commande du distributeur d'admission de la turbine 10. Ce distributeur est constitué par une série d'éléments 13 montés pivotants autour d'axes parallèles à l'axe (X-X) de la turbine. La position angulaire de ces éléments est commandée par l'intermé- diaire d'une tringlerie 15 à partir d'un actionneur ou d'une capsule 16 soumise à-la pression régnant a l'ad- mission du moteur auquel le dispositif est associé. Cette pression s'exerce à l'encontre d'un ressort 17 dont les caractéristiques sont choisies de façon ha- bituelle. De même, les autres éléments distributeurs de la turbine sont commandés simultanément par un mécanisme connu, désigné par l'expression "cercle de vannage". Il est prévu également une butée 18 qui 1O détermine l'ouverture minimale de la turbine et qui est disposée en un emplacement convenable du mécanisme de réglage. La position de cette butée est-de préfé- rence réglable. De façon connue, le réglage de l'ou- verture de la turbine est effectué de manière i main- tenir la pression de refoulement du compresseur au- dessous d'une valeur limite, jusqu'à atteindre une ouverture minimale déterminée par la butée 18. On a représenté sur la Fig. 3 un schéma d'un mécanisme de commande du distributeur de pré-rotation 23 du compresseur. dont les éléments sont constitués par des volets 24 montés pivotant autour d'axes 25 s'étendant radialement par rapport à l'axe X-X du turbocompresseur. Ce mécanisme comprend un actionneur ou une capsule.à dépression 26 dont l'élément mobile est relié par une tringlerie 27 et par un mécanisme du type cercle de vannage aux différents volets. Cette capsule est soumise, dans l'exemple choisi, à la dé- pression engendrée dans un Venturi 28, lui-même placé sur l'aspiration du compresseur. Le Venturi 28 ou tout autre système équivalent de mesure du débit masse d'air peut, aussi. et suivant les besoins, être dispo- sé au refoulement du compresseur en utilisant toute- fois. selon les règles de l'art correspondantes. non seulement la dépression qu'il crée, mais aussi la pression de refoulement du compresseur. Sur ce schéma de la Fig. 3, la flèche F re- présente la direction de l'air à l'entrée du compres- seur lorsqu'aucune pré-rotation n'est engendrée. L'an- gle " d'orientation des volets 24 par rapport à la di- rection de la flèche F caractérise par contre une mise en pré-rotation de l'air à l'aspiration du compres- seur. Il résulte de ce qui précède que conformé- ment à l'invention, la position des éléments du dis- tributeur placé à l'aspiration du compresseur, qui détermine la présence et l'importance du mouvement de pré-rotation à l'entrée de ce compresseur, est com- mandée en fonction d'un paramètre représentatif du débit d'air dans le compresseur. On va expliquer ci- dessous en quoi ce type de régulation est particuliè- rement efficace et intéressant. Pour cela, on se re- portera aux diagrammes des Fig. 4 à 6. Sur la Fig. 4 est représenté un exemple de loi de variation de l'angle CX représentatif de la mise en pré-rotation de l'air à l'aspiration du com- presseur, en fonction du débit G dans ce compresseur. Cet angle 0( varie à partir d'.une valeur maximale 'm correspondant à un débit minimal GD dans le com- presseur, jusqu'à une valeur minimale qui peut être nulle et qui est atteinte pour un débit Go inférieur au débit maximal représenté sur le diagramme par la valeur GA. Cette valeur de Cm peut être par exemple de 60 à 80' environ. Le diagramme de la Fig. 5 représente la va- leur de la pression P d'alimentation du moteur en fonction du débit G dans le compresseur, pour une configuration classique et pour une configuration incorporant l'invention. Pour un turbocompresseur habituel comportant un compresseur à aspiration directe et une turbine à géométrie fixe, munie d'une soupape de by-pass, les points de fonctionnement du compresseur correspondant au couple maximal à divers régimes du moteur, sont représentés par la courbe A, B. C o le point A cor- respond au régime maximal du moteur (la soupape de by- pass ayant son ouverture maximale) et o B correspond au régime du moteur pour lequel ladite soupape se fer- me. Au-dessous de ce régime, les points de fonction- nement au couple maximal se situent sur la courbe B, C, le point C correspondant au régime minimal du moteur. Les vitesses du turbocompresseur sont alors respectivement nA, nB, nC et les débits d'air GA, GB, GcÀ Comme cela -est connu, les points A, B, C sont situés à droite d'une courbe de pompage Z du com- presseur. Dans le cas d'un moteur à allumage commandé, le ou les papillon(s) de réglage d'air commandés) par la pédale d'accélérateur provoque(nt), lorsqu'on veut faire varier le couple, un laminage, de sorte que la pression devant les soupapes d'admission du moteur baisse, de même que le débit des gaz d'échappement et que la vitesse de rotation du turbocompresseur. Pour un régime minimal du moteur, le point de fonctionne- ment du compresseur s'établit au point D, pour un couple à vide. Si le papillon est disposé entre le compresseur et le moteur, il provoque un laminage DE, le point E représentant la pression à l'entrée du mo- teur, qui est inférieure à la pression atmosphérique. Ce régime correspond au ralenti du moteur. Le procédé et le dispositif de régulation suivant l'invention permettent de décaler vers la gauche du diagramme la courbe de fonctionnement du compresseur, correspondant à un couple maximal du mo- teur. En effet, considérant un point H de la courbe 8C, si l'on actionne le distributeur de la turbine dans le sens de la fermeture, la pression à l'échap- pement du moteur croit, la puissance disponible sur la turbine croit également, de même que la vitesse du compresseur. Gr&ce à la commande du distributeur de pre-rotation de ce compresseur, la courbe de fonction- nement de l'ensemble compresseur et distributeur est plus inclinée et correspond à un pompage reculé et sensiblement décalé vers la gauche sur le diagramme par rapport a la courbe Z. On peut ainsi atteindre un point de fonctionnement B1 o la pression d'air maxi- male admissible est atteinte. Pour le même régime du moteur NH, le couple moteur est approximativement ac- cru dans le rapport des débits d'air GH et Gai ou ce qui revient au même dans le rapport des pressions pH et pB1' en supposant que le compresseur soit comme c'est souvent le cas suivi d'un réfrigérant d'air. De même le fonctionnement au couple maximal à la vitesse minimale du moteur, qui correspondait au point C, correspond, avec une ouverture de turbine réduite, à un point tel que C1, de sorte que le couple maximal est accru d'autant. On voit donc que dans toute la zone comprise entre les points 8 et C, le dispositif suivant l'in- vention permet d'obtenir une augmentation sensible du couple moteur disponible. - Au ralenti, si l'on conserve l'ouverture réduite de la turbine, la pression à l'échappement du moteur croit de sorte qu'un débit d'air un peu supé- rieur est nécessaire, soit G'DO Sur le graphique de la Fig. 5, le point de fonctionnement du compresseur et de son distributeur vient par exemple en 3. Compte tenu de la valeur de la pression à l'admission de la turbine, qui est plus élevée qu'en F. la vitesse du turbocompresseur en J est n3, supérieure a nF. Le la- minage au passage du papillon des gaz, représenté par 3K, est supérieur au laminage représentant par FE et il en résulte donc au total une capacité d'accélération du moteur plus élevée, à cause de la plus grande vitesse du turbocompresseur et de la pression plus élevée devant le papillon. La Fig. 6 représente le couple maximal r en fonction du régime n du moteur, pour un turbocom- presseur dans différentes configurations. Dans une configuration classique, ce couple est représenté par la courbe T1' Avec la disposition suivant l'invention, le couple est représenté par la courbe r2 et l'on peut donc constater que la disposition suivant l'invention est sensiblement plus favorable. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la position de la butée 18 déterminant l'ouverture minimale de la turbine et visible i la Fig. 2, est réglable et peut être déplacée par un mé- canisme convenable, par exemple du type vis et écrou comme représenté Fig. 2. La position d'ouverture mini- male choisie, fixée par cette-butée, est déterminée par l'expérience de façon à réaliser un compromis entre le couple disponible et la consommation du mo- teur. On peut, dans le même esprit, choisir à-vo- lonté la plage GOGA pour laquelle l'angle 1X des élé- ments du distributeur à l'entrée du compresseur, est nul, c'est-à-dire la plage pour laquelle aucune pré- rotation de l'air n'est réalisée à l'aspiration de ce compresseur. A titre d'exemple, le débit GO0 peut être de l'ordre de 65 à 80 Z du débit GA. Dans la variante de la Fig. 7, la turbine a comporte de plus un conduit 19 et une soupape 19 de by-pass, commandée en fonction de la pression de refoulement du compresseur et qui ne s'ouvre que lorsque l'ouverture de la turbine est elle-même maximale. Ceci permet d'utiliser une turbine légèrement plus petite et d'améliorer ainsi les caractéristiques à bas régime du moteur, au détriment toutefois de celles au-deli d'un certain régime représenté par exemple par n' sur la Fig. 6. On obtient ainsi une courbe de couple T3 sur cette Fig. 6. Les modalités de l'invention qui ont été décrites ci-dessus peuvent comporter des variantes qui sont du domaine de l'homme de l'art et n'en altèrent aucunement les principes. En particulier et comme déjà signalé: le dispositif de pré-rotation à l'entrée du compresseur peut être d'un type quelconque autre que celui représenté du moment qu'il répond à l'objec- tif précis de fournir une pré-rotation variable et d'un sens déterminé au fluide à l'entrée du compres- seur; - le réglage de l'ouverture de la turbine peut aussi être d'un type quelconque du moment qu'il réalise l'objectif précis de faire varier son débit pour une pression amont déterminée à l'exclusion bien entendu d'un simple laminage. En outre, les régulations du distributeur de pré-rotation et de l'ouverture turbine qui ont été re- présentées sous la forme mécanique directe pour la commodité de l'exposé peuvent être d'un type quelcon- que, pneumatique, électrique, électronique et être du type direct ou indirect,asservi ou non ou du type pas à pas du moment qu'elles réalisent les objectifs pré- cisés. En variante, la commande du distributeur de pré-rotation du compresseur peut être effectuée, non pas en fonction du débit d'air, mais en fonction de tout autre paramètre qui lui est lié ou varierait dans le même sens. Pour les moteurs à allumage commandé, par exemple, ce pourrait être le débit de combustible. Dans tous les cas, ce pourrait être également une combinaison de la vitesse du moteur et de la pression à l'aspiration des cylindres. 1 1 R ilA-M REVENDICATIONS 1. Procédé de commande de l'alimentation d'un moteur suralimenté à partir d'un compresseur (20) entraîné par une turbine (10), ce compresseur étant muni à son aspiration de moyens réglables imprimant à l'air admis un mouvement de mise en pré-rotation, ca- ractérisé en ce que ledit mouvement de mise en pré- rotation est commandé en fonction du débit d'air dans le compresseur ou de tout autre paramètre équivalent. 2. Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la mise en pré-rotation de l'air à l'entrée du compresseur diminue lorsque le débit d'air augmente. 3. Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce qu'une valeur minimale de la mise en pré- rotation de l'air à l'entrée du compresseur est at- teinte pour une valeur du débit d'air inférieure à une valeur maximale de ce débit. 4. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, selon lequel on règle l'ouverture de la turbine de manière à maintenir la pression de re- foulement du compresseur au-dessous d'une valeur limi- te, jusqu'à atteindre une ouverture minimale détermi- née, caractérisé en ce qu'on règle la position de cet- te butée pour obtenir une position déterminée d'ouver- ture minimale de la turbine. 5. Procédé suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que, la turbine (10) étant équipée d'un conduit (19) et d'une soupape (19a) de by-pass, cette soupape est commandée de façon à ne s'ouvrir qu'à partir du moment o l'ouverture de la turbine est maximale. 6. Dispositif d'alimentation pour moteur su- ralimenté, comprenant une turbine (10) à ouverture va- riable et un compresseur (20) entrainé par cette tur- bine et muni à son aspiration de moyens réglables per- mettant d'imprimer à l'air admis dans ce compresseur un mouvement de rotation préalable, caractérisé en ce que la position des moyens réglables (-23) et l'even- tuelle mise en rotation de l'air qui en résulte sont réglées en fonction du débit d'air dans le compresseur ou de tout autre paramètre équivalent. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il est prévu une butée (18) réglable en position, déterminant une ouverture minimale de la turbine (10). 8. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 5 et 6, caractérisé en ce que, comme connu en soi, la turbine (10) est équipée d'un conduit (19) et d'une soupape (19a) de by- pass commandée en fonction de la pression de refoulement du compresseur, pour ne s'ouvrir qu'à partir du moment o l'ouverture de la turbine est maximale.