Brevet FR2783873A1 — publié le 20000331

PROCÉDÉ DE FREINAGE D'UN MOTEUR POUR UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE SURALIMENTÉ L'invention concerne un procédé de freinage d'un moteur pour un moteur à combustion interne suralimenté dont la turbine (1 1) sur gaz d'échappement présente des caractéristiques géométriques variables qui peuvent être modifiées pour le réglage variable de la section utile de la turbine entre une position de retenue et une position d'ouverture, dans lequel, en mode frein moteur, on provoque une combustion au moins partielle dans le moteur à combustion interne. A partir du document DE 195 43 190 A1, on connaît, pour un moteur à combustion interne suralimenté, un système de freinage du moteur qui comporte une turbine sur gaz d'échappement présentant des caractéristiques géométriques de turbine variables, réglables au moyen d'une persienne réglable. La persienne réglable comporte des lamelles orientables qui, à l'aide d'un élément réglant, peuvent être orientées de façon que la section utile de la turbine soit modifiée. De ce fait, et selon chaque fois l'état de marche du moteur à combustion interne, des contre-pressions des gaz d'échappement de différentes valeurs peuvent être obtenues sur le tronçon situé entre les cylindres et la turbine sur gaz d'échappement, ce qui permet de régler chaque fois selon le besoin la puissance de la turbine et la puissance du compresseur. Pour, en mode freinage du moteur à combustion interne, obtenir une action de frein moteur, la persienne passe dans une position de retenue dans laquelle la section de la turbine est notablement réduite. Dans le tronçon de conduite situé entre les cylindres et la turbine sur gaz d'échappement s'établit une contre- pression des gaz d'échappement élevée, avec la conséquence que les gaz d'échappement s'écoulent à haute vitesse par les canaux situés entre les lamelles orientables et tombent sur le rotor de la turbine avec une quantité de mouvement élevée. La puissance de la turbine est transmise au compresseur, sur quoi le compresseur fait passer sous pression de charge élevée l'air de combustion amené au moteur. Du fait qu'une pression de charge élevée s'exerce du côté entrée du cylindre, il règne, du côté sortie, entre la sortie des cylindres et le turbocompresseur de suralimentation une contre- pression des gaz d'échappement élevée qui s'oppose au passage de l'air, comprimé dans les cylindres, dans le conduit des gaz d'échappement par les soupapes de freinage ouvertes. En mode frein moteur, le piston doit accomplir, pendant la course de compression et la course d'échappement, un travail de compression contre la surpression élevée régnant dans le conduit des gaz d'échappement, ce qui donne une forte action de freinage. Des systèmes de frein moteur de ce type s'emploient de préférence pour les véhicules utilitaires lourds dans le cas desquels peuvent être produites des puissances de frein moteur de l'ordre de plusieurs centaines de kW. En outre, à partir du document, qui constitue le modèle, DE 44 956 AI1, il est connu d'injecter par moments, en mode frein moteur, du carburant pour produire un allumage d'un moteur à combustion interne pour augmenter la puissance de freinage. On allume le mélange carburant-air avant d'atteindre le point mort haut, sur quoi il s'établit dans la chambre de combustion une pression contre laquelle le piston, en mouvement vers le haut, doit produire un travail. Ce travail de compression est extrait de l'énergie cinétique du véhicule à moteur, de sorte que l'on obtient un effet de freinage actif. L'invention a pour but de proposer un procédé de frein moteur avec lequel on obtienne un établissement rapide de la puissance de freinage. Selon l'invention, dans le cas d'un procédé de freinage d'un moteur pour un moteur à combustion interne suralimenté dont la turbine sur gaz d'échappement présente des caractéristiques géométriques variables qui peuvent être modifiées pour le réglage variable de la section utile de la turbine entre une position de retenue et une position d'ouverture, dans lequel, en mode frein moteur, on provoque une combustion au moins partieIlle dans le moteur à combustion interne, on atteint ce but par le fait qu'au- dessus d'une valeur limite d'une grandeur d'état du moteur, des soupapes de freinage sont en position d'ouverture à la sortie des cylindres du moteur à combustion interne et qu'au cas o la valeur d'état du moteur décroît jusqu'au voisinage de la'valeur limite, les soupapes de freinage se décalent en direction de la position de fermeture pour réduire le débit massique des gaz d'échappement dérivé hors des cylindres. Selon le nouveau procédé, on produit également un allumage dans le moteur à combustion interne en mode frein moteur, au moins par moments, pour augmenter la puissance de freinage. L'allumage fait que se produit un débit massique de gaz d'échappement qui s'écoule dans le conduit des gaz d'échappement par les soupapes de freinage ouvertes. En plus de l'effet que le piston doit produire un travail de compression contre le mélange carburant-air allumé avant le point mort haut, on obtient en outre que la contre-pression sur gaz d'échappement se produise dans un temps bref, de sorte que le piston doit évacuer le contenu de la chambre à combustion à l'encontre de la contre-pression élevée sur gaz d'échappement. En outre, la vitesse de rotation de la turbine augmente rapidement et par suite la puissance du turbocompresseur augmente en un temps bref, de sorte que l'on obtient à nouveau un débit massique élevé à travers le moteur avec une augmentation de puissance correspondante. Du fait qu'un allumage et une combustion propre du mélange carburant-air ne sont possibles qu'avec une pression intérieure suffisamment élevée dans I cylindre, mais que du fait que les soupapes de freinage sont ouvertes, le contenu de la chambre de combustion a été au moins partiellement évacué, les mesures sont prises pour maintenir une pression minimale dans la chambre intérieure du cylindre. Ces mesures consistent en ce qu'est introduite une grandeur caractéristique de la combustion, que cette grandeur caractéristique est surveillée en cas de dépassement, par valeur inférieure, d'une valeur limite et qu'est éventuellement réduit le débit massique des gaz d'échappement évacué dans le"conduit des gaz d'échappement par les sorties des cylindres, en particulier par réduction de la course des soupapes de freinage ou par diminution de la section des soupapes. La réduction du débit massique des gaz d'échappement a pour conséquence qu'est interdite la poursuite de la diminution de la pression intérieure dans les cylindres, qu'éventuellement même la pression intérieure augmente et qu'en conséquence la température dans le cylindre augmente et que la formation du mélange est favorisée, de sorte que la combustion du mélange carburant-air peut se maintenir. La grandeur caractéristique ne doit pas obligatoirement être identique à la pression intérieure du cylindre. Bien plutôt, il suffit de faire appel à une grandeur corrélée et de former une valeur limite qui corresponde à cette pression intérieure minimale du cylindre, pour laquelle un allumage et une combustion du mélange carburant- air sont justes encore possibles. Dès que la grandeur caractéristique décroît au voisinage de la valeur limite, les soupapes de freinage se décalent en direction de leur position de fermeture, de sorte que c'est une proportion moindre du contenu de la chambre de combustion qui peut s'échapper dans le conduit des gaz d'échappement et que la poursuite de la décroissance de la pression intérieure dans le cylindre est donc interdite. La valeur limite de la grandeur caractéristique dépend du type du moteur à combustion interne, du rapport entre le carburant et l'air, des caractéristiques géométriques de la chambre de combustion, etc, et peut être mémorisée dans un champ de caractéristiques en fonction des paramètres et des grandeurs d'état mentionnés et être actualisée lors d'une modification d'un paramètre ou d'une grandeur d'état. Comme grandeur caractéristique on prend en considération une grandeur d'état du moteur, en particulier la vitesse de rotation du moteur, qui peut se surveiller sans problèmes et se mesurer généralement sans difficultés et se présente sous forme d'une valeur chiffrée dans un organe de régulation et de commande pour la commande et la régulation de moteur. La détermination de la vitesse de rotation du moteur est habituellement plus facile à réaliser que la détermination de la pression intérieure du cylindre. A la grandeur d'état du moteur est associée comme valeur limite une vitesse de rotation minimale du moteur qui correspond à la pression intérieure minimale du cylindre qui est nécessaire pour maintenir une combustion. Si la vitesse de rotation du moteur décroît au voisinage de la valeur limite, le débit massique des gaz d'échappement qui s'échappe se réduit, en particulier par réduction de la course des soupapes de freinage. Il peut être intéressant de fermer complètement les soupapes de freinage malgré qu'une marche en frein moteur se poursuive, pour empêcher que la combustion s'arrête. Dans le cas des systèmes de freinage, une fermeture complète est indiquée avec des soupapes de freinage de course constante pour augmenter la pression intérieure du cylindre. En cas de modification des paramètres et des grandeurs d'état influençant la combustion, en particulier dans le cas d'une vitesse de rotation croissante du moteur, la fermeture des soupapes de freinage est à nouveau stoppée, ou bien la course des soupapes augmente à nouveau. Dans le cas des soupapes de freinage à réglage continu, pour maintenir la combustion, la grandeur d'état du moteur en observation se règle sur la valeur limite, la course des soupapes variant, à vitesse de rotation constante, en fonction d'autres paramètres, comme l'avance à l'allumage, la pente, etc. Il peut être intéressant de prévoir dans le moteur à combustion interne, un dispositif de bypass qui forme un bypass réglable en direction de la turbine sur gaz d'échappement. Le bypass peut s'ouvrir pour réduire la contre-pression des gaz d'échappement et la pression de charge, pour éviter des surcharges sur les composants. Pour permettre de disposer, en cas d'urgence, dans le temps le plus bref possible, d'une puissance maximale de frein moteur, il est avantageux que les caractéristiques géométriques variables de la turbine la fassent passer dans sa position de retenue correspondant au maximum de puissance de freinage, que les soupapes de freinage s'ouvrent au maximum et qu'en outre ce soit la quantité maximale possible de carburant qui brûle. Ceci a pour conséquence qu'est produite dans les cylindres et évacuée dans le conduit des gaz d'échappement, une quantité d'énergie très élevée qui amène la turbine à une vitesse de rotation plus élevée pour augmenter la puissance de suralimentation. Dans cette situation, il est intéressant que les pressions intérieures maximales autorisées du cylindre soient subordonnées à la mise à disposition de la puissance maximale de freinage. En particulier un dispositif de bypass éventuellement existant passe, malgré le risque de surcharger des composants, en position de fermeture au bénéfice d'une montée en pression rapide. D'autres avantages et formes de réalisation intéressantes sont à prendre dans les autres revendications, dans le descriptif et sur les dessins qui donnent une représentation schématique d'un moteur à combustion interne suralimenté à caractéristiques géométriques variables de la turbine. Le moteur à combustion interne 1 d'un véhicule à moteur, par exemple d'un moteur diesel d'un véhicule utilitaire, présente un turbocompresseur de suralimentation 3 qui comporte un compresseur 10, disposé sur la conduite d'admission 8 du moteur à combustion interne, pour produire une pression de charge élevée à l'entrée des cylindres, ainsi qu'une turbine 11 sur le conduit des gaz d'échappement 9. La turbine 11, qui est entraînée par le flux des gaz d'échappement du moteur à combustion interne, présente des caractéristiques géométriques de la turbine variables qui peuvent se régler entre une position d'ouverture, à section d'entrée maximale de la turbine, et une position de retenue de section minimale de l'entrée de la turbine. En mode d'entraînement avec allumage, les caractéristiques géométriques variables de la turbine la mettent généralement en position d'ouverture pour permettre un débit massique le plus grand possible dans la turbine et produire une puissance du turbocompresseur élevée. En mode frein moteur, les caractéristiques géométriques variables de la turbine la mettent généralement en position de fermeture de sorte que la contre- pression des gaz d'échappement augmente fortement et que le contenu de la chambre de combustion doit s'échapper par des soupapes de freinage ouvertes 20,à l'encontre de la contre-pression élevée des gaz d'échappement, pour produire une puissance de frein moteur. La variation des caractéristiques géométriques de la turbine peut se réaliser au moyen de pales orientables, au moyen d'une persienne axiale à lamelles coulissantes ou au moyen de divers types de vario-turbines, par exemple au moyen de turbines à volet à flux orienté vers le rotor de la turbine et pouvant être obturé par un volet. Est en outre prévu un dispositif de bypass 25 grâce auquel, pour abaisser la contre-pression des gaz d'échappement, on peut sortir les gaz d'échappement en amont de la turbine 11 et les réintégrer à nouveau dans le conduit des gaz d'échappement en aval de la turbine 11. Le dispositif de bypass 25 comporte une vanne réglable. Au moyen d'un élément réglant 12, on règle les caractéristiques géométriques variables de la turbine et/ou le dispositif de bypass 25 sur la section d'écoulement ou la quantité désirée de gaz d'échappement à dériver. Grâce au dispositif de bypass 25 il peut être garanti que ne seront pas dépassées, par valeur croissante, des pressions maximales qui peuvent conduire à la destruction d'un composant. Sont en particulier surveillées la pression de charge dans la conduite d'aspiration et la contre- pression des gaz d'échappement dans le conduit des gaz d'échappement en amont de la turbine 11. Par l'intermédiaire d'un embrayage 13, le vilebrequin 16 du moteur à combustion interne 1 est relié une boîte de vitesses 2 à manoeuvre manuelle, montée à la suite. Un premier disque 14 de l'embrayage 13 est relié, sans liberté de rotation relative, au vilebrequin 16, un second disque d'embrayage 15 est couplé, sans liberté de rotation relative, à un arbre d'entraînement 17 de la boîte de vitesses 2. Le moment d'entraînement produit en mode cylindres allumés est transmis, par l'intermédiaire du vilebrequin 16 et de l'arbre 17 d'entraînement de la boîte de vitesses, à un arbre 18 de sortie de la boîte de vitesses. Est en outre prévu un circuit 4 de régulation et de commande du moteur pour réguler et commander les états de marche et de mode du moteur à combustion interne 1, du turbocompresseur sur gaz d'échappement 3 et éventuellement de la boîte de vitesses 2. Au circuit 4 de régulation et de commande du moteur sont associés plusieurs organes de traitement 5, 6, 7, soit un pour la régulation et la commande des buses d'injection 19, un pour les soupapes de freinage 20, par l'intermédiaire desquelles les cylindres du moteur à combustion interne communiquent, en plus des soupapes d'échappement, avec le conduit des gaz d'échappement 9 et un pour l'élément réglant 12 du turbocompresseur sur gaz d'échappement 3. Dans le circuit 4 de régulation et de commande du moteur, comportant les organes de traitement 5, 6, 7, sont produits, en fonction des signaux d'entrée qui représentent des paramètres ou des modes de marche du véhicule, des signaux de commande qui, par l'intermédiaire des lignes de signaux 21 à 24, sont transmis pour intervenir sur les composants respectifs du véhicule ou sur leurs éléments réglants associés. Comme soupape de freinage on peut employer des soupapes de décompression qui sont prévues à part des soupapes d'échappement et par l'intermédiaire desquelles les cylindres communiquent avec le conduit des gaz d'échappement. Les soupapes de freinage peuvent être prévues comme soupapes à course constante ou comme soupapes réglables à course variable. Mais il peut être également intéressant d'utiliser comme soupapes de freinage les soupapes d'échappement elles-mêmes, en ce sens que, à la différence du cycle d'ouverture du mode cylindres allumés, les soupapes d'échappement sont continuellement ouvertes pendant le processus de passage en mode frein moteur. Pour une montée rapide de la puissance de freinage sur le moteur il est prévu de faire passer les soupapes de freinage 20 en position d'ouverture et les caractéristiques géométriques variables de la turbine 11 en position de retenue et, en même temps, dans la phase de compression, avant le point mort haut, d'injecter du carburant par les buses d'injection 19 et de l'allumer. Le piston doit produire un travail de compression à l'encontre du mélange en expansion dans la chambre de combustion; en outre la contre- pression des gaz d'échappement croît et en particulier la puissance de la turbine croît rapidement. Dans le circuit 4 de régulation de commande du moteur, la vitesse de rotation du moteur est surveillée et, en cas de décroissance de la vitesse de rotation du moteur en dessous de la vitesse de rotation minimale, les soupapes de freinage 20 se décalent en direction de leur position de fermeture. Dans le cas de soupapes de freinage à course variable réglable, la course de soupape se réduit de façon que la pression intérieure dans les cylindres reste au-dessus de la limite nécessaire pour l'allumage et la combustion du mélange carburant-air, sur quoi la vitesse de rotation passe à nouveau au-dessus de la limite de vitesse de rotation critique. Des soupapes de freinage conçues sous forme de soupapes à étranglement constant se ferment. La surveillance ou la régulation de la vitesse de rotation sont techniquement plus faciles à réaliser que la surveillance et la régulation de la pression intérieure des cylindres. Dans la régulation peut être pris en compte le réglage du dispositif de bypass 25. Pour, en cas d'urgence, disposer d'une puissance de freinage maximale dans les temps les plus brefs, les caractéristiques géométriques variables de la turbine étant en position de retenue, les surfaces de freinage s'ouvrent au maximum et une quantité maximale possible de carburant est injectée et brûlée. En même temps le dispositif de bypass 25 se ferme pour établir une contre- pression des gaz d'échappement la plus grande possible. REVENDICATIONS 1. Procédé de freinage d'un moteur pour un moteur à combustion interne suralimenté dont la turbine (11) sur gaz d'échappement présente des caractéristiques géométriques variables qui peuvent être modifiées pour le réglage variable de la section utile de la turbine entre une position de retenue et une position d'ouverture, dans lequel, en mode frein moteur, on provoque une combustion au moins partielle dans le moteur à combustion interne (1), caractérisé - par le fait qu'au-dessus d'une valeur limite d'une grandeur d'état du moteur, des soupapes de freinage (20) sont en position d'ouverture à la sortie des cylindres du moteur à combustion interne (1), qu'au cas o la valeur d'état du moteur décroît jusqu'au voisinage de la valeur limite, les soupapes de freinage (20) se décalent en direction de la position de fermeture pour réduire le débit massique des gaz d'échappement dérivé hors des cylindres. 2. Procédé de freinage d'un moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la course des soupapes de freinage (20) se réduit. 3. Procédé de freinage d'un moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le lait que les soupapes de freinage (20) se ferment complètement. 4. Procédé de freinage d'un moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la grandeur d'état du moteur est la vitesse de rotation du moteur et que la valeur limite est une vitesse de rotation minimale du moteur. 5. Procédé de freinage d'un moteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'un dispositif de bypass (25) est prévu en amont de la turbine ( 11) pour la dérivation réglable des gaz d'échappement et l1 que le dispositif de bypass (25) passe de la position d'ouverture à la position de fermeture. 6. Procédé de freinage d'un moteur selon l'une des revendications I à 5, caractérisé par le fait qu'en cas de freinage d'urgence, les caractéristiques géométriques variables de la turbine le font passer à la position de retenue, les soupapes de freinage (20) s'ouvrent au maximum et on injecte et fait brûler une quantité maximale possible de carburant.