Brevet FR2794173A1 — publié le 20001201

L'invention concerne un procédé pour faire fonctionner un moteur à combustion interne suralimenté au moyen d'un turbocompresseur à gaz d'échappement, selon lequel, suivant le point de fonctionnement du moteur, par l'ouverture d'une vanne d'arrêt dans un bipasse, de l'air d'alimentation comprimé est dérivé d'un conduit d'air d'alimentation menant au moteur -, à travers le bipasse, vers un conduit d'échappement du moteur, lequel mène à la turbine du turbocompresseur, sous l'effet d'un gradient de pression positif entre ces deux conduits. La puissance d'un moteur à combustion interne - d'un véhicule automobile par exemple - peut être accrue par la suralimentation, c'est-à-dire par la compression préalable de l'air d'alimentation, avant l'entrée dans les cylindres. En cas d'utilisation d'un turbocompresseur à gaz d'échappement pour produire la suralimentation, le compresseur, installé dans un conduit d'air d'alimentation, est entraîné en rotation par une turbine installée dans un conduit d'échappement et mue par le flux de gaz d'échappement des cylindres. Dans le but d'augmenter la puissance de suralimentation, en particulier aux régimes du moteur à faible volume de gaz d'échappement, donc à faible couple de base du turbocompresseur, le document DE 32 44 928 Ai propose de dériver une partie du flux d'air d'alimentation comprimé vers le conduit d'échappement. La partie ainsi dérivée de l'air d'alimentation est introduite ensemble avec le flux de gaz d'échappement dans la turbine, laquelle est donc alimentée par un plus important débit gazeux et entraînée à plus grande vitesse. Cette dérivation d'une partie de l'air d'alimentation s'effectue dans les plages de fonctionnement du moteur dans lesquelles la pression de l'air d'alimentation dépasse la pression du gaz d'échappement alimentant la turbine. Pour déclencher la dérivation, une vanne d'arrêt dans un bipasse est ou- verte et le flux partiel d'air d'alimentation à dériver est envoyé à travers le bipasse dans le conduit d'échappement et vers la turbine du turbocompresseur sous l'effet du gradient de pression positif dans le bipasse. Le but de l'invention est de créer un procédé pour faire fonctionner un moteur à combustion interne, suralimenté par un turbocompresseur à gaz d'échappement, qui, dans tout le diagramme caractéristique de fonctionnement du moteur, optimise la puissance de suralimentation et diminue l'émission de gaz d'échappement par le moteur. Conformément à l'invention, partant d'un pro- cédé comme spécifié au début, on obtient ce résultat par le fait que le procédé comprend, en présence d'un gradient de pression négatif, c'est-à-dire lorsque la pression dans le conduit d'air d'alimentation est inférieure à la pression dans le conduit d'échappement, la libération du bipasse, suivant les besoins, pour le recyclage de gaz d'échappement vers le conduit d'air d'alimentation. Dans le procédé selon l'invention, le bipasse est utilisé, au choix, pour dériver de l'air d'alimentation vers le conduit d'échappement ou pour recycler du gaz d'échappement. En de nombreuses plages de fonctionnement du moteur, le recyclage de gaz d'échappement permet d'abaisser efficacement l'émission de gaz d'échappement. Le recyclage peut avoir lieu en présence d'un gradient de pression, dans le bipasse, exerçant un effet de propulsion de gaz vers le conduit d'air d'alimentation, ce qui signifie que la pression de gaz d'échappement dépasse alors la pression d'air d'alimentation. Au cas o le moteur doit fonctionner avec recyclage de gaz d'échappement, la vanne de commande dans le bipasse est ouverte et la pression de gaz d'échappement envoie une partie du flux de gaz d'échappement dans le conduit d'air d'alimentation. Le procédé selon l'invention permet, sans que cela demande des dépenses supplémentaires au niveau de la construction, de produire, selon les besoins, ou bien une dérivation d'air d'alimentation ou alors un recyclage de gaz d'échappement. Il est opportun que le débit du bipasse soit réglable par la variation de la section d'ouverture de la vanne d'arrêt, ce qui permet de régler l'augmentation du couple du turbocompresseur dans le mode de dérivation d'air et de régler le taux de recyclage de gaz d'échappement dans le mode de recyclage. Une unité de commande peut déterminer le point de fonctionnement instantané du moteur sur la base d'un signal d'entrée d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur. L'unité de commande fixe ensuite le mode de fonctionnement (mode de dérivation d'air/mode de recyclage de gaz d'échappement) coordonné au point de fonctionnement qui vient d'être déterminé, de même que le débit approprié du bipasse. L'unité de commande pilote également la vanne d'arrêt dans le bi- passe et règle la section de passage prévue. Les plages de fonctionnement dans lesquelles sont possibles la dérivation d'air d'une part et le recyclage de gaz d'échappement d'autre part, suivant le gradient de pression régnant au moment considéré, peuvent être élargies lorsque le gradient de pression entre les extrémités du bipasse est réglable au moyen d'un organe d'étranglement agissant sur le flux de gaz d'échappement. L'actionnement d'un tel organe d'étranglement dans le sens de la fermeture provoque une retenue de gaz d'échappement et une élévation de la pression de gaz d'échappement en amont de la turbine. Lorsque la pression de gaz d'échappement est augmentée de façon adéquate au-dessus de la pression d'air d'alimentation instantanée, il devient ainsi possible, même aux points de fonctionnement dans lesquels le gradient de pression naturel s'oppose à un recyclage de gaz d'échappement, d'ajouter néanmoins du gaz d'échappement en mélange au flux d'air d'alimentation en cas de besoin. De même, par un réglage adéquat de l'organe d'étranglement, il est possible d'établir, entre les extrémités du bipasse, un gradient de pression, exerçant un effet de propulsion d'air d'ali- mentation dans le conduit d'échappement, ou un gradient de pression plus important dans ce sens, afin de soutenir le mode de dérivation d'air. Il est particulièrement opportun d'utiliser une turbine de turbocompresseur à géométrie variable en tant qu'organe d'étranglement pour le flux de gaz d'échappement. L'unité de commande peut alors déterminer la pression de gaz d'échappement en amont de la turbine par le réglage adéquat de la section de passage offerte par une géométrie variable de la turbine, par exemple par le réglage d'une grille variable de guidage de gaz équipant la turbine. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que de la figure unique du dessin annexé, qui est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne suralimenté. Le dessin représente un moteur à combustion interne 1 comprenant plusieurs cylindres 2. Chacun des cylindres 2 est alimenté en air d'alimentation précomprimé à travers une admission 3 à partir d'un conduit d'air d'alimentation 5. Les gaz d'échappement des cylindres 2 sont évacués à travers un échappement 4 pour chaque cylindre et un conduit d'échappement collecteur 6. La suralimentation du moteur 1 s'effectue par un turbocompresseur 10 dont la turbine 11 est installée dans le conduit d'échappement 6 et mue par le flux de gaz d'échappement. Ce flux pénètre dans la turbine 11 à une pression de gaz d'échappement p3 et fait tourner la turbine 11 pendant que sa pression descend au niveau p4. Par l'intermédiaire d'un arbre 13 du turbocompresseur, la turbine 11 entraîne un compresseur 12 dans lequel de l'air frais pénètre à la pression pl, laquelle est portée à la pression d'alimentation p2 dans le conduit d'air d'alimentation 5. L'air d'alimentation est envoyé à travers ce conduit et les admissions 3 aux cylindres 2 du moteur 1. La turbine 11 présente une géométrie variable, réglable, par exemple du fait qu'elle est munie d'une grille de guidage de gaz réglable par une servocommande 14. La variation de la géométrie de la turbine permet de régler la section de passage de la turbine 11 et d'in- fluencer ainsi l'effet de retenue exercée sur le flux de gaz d'échappement du moteur d'une part et l'accélération ainsi que le couple du turbocompresseur 10 d'autre part. En aval du compresseur 12, dans le sens de l'écoulement de l'air, le conduit d'air d'alimentation est relié au conduit d'échappement 6 par un bipasse 7 qui débouche dans ce dernier conduit en amont de la turbine 11 dans le sens de l'écoulement du gaz d'échappement. Le bipasse 7 contient une vanne d'arrêt 8 qui est destinée à être ouverte selon les besoins pour permettre des écoulements entre le conduit d'air d'alimentation 5 et le conduit d'échappement 6. Sous l'effet du gradient de pression p2 - p3 instantané, un flux partiel d'air d'alimentation ou de gaz d'échappement s'écoule, lorsque la vanne d'arrêt 8 est ouverte, vers l'autre conduit. Aux points de fonc- tionnement à gradient de pression positif, lorsque la pression d'alimentation p2 dépasse la pression de gaz d'échappement p3, de l'air d'alimentation est dérivé à travers le bipasse 7 et ajouté en mélange au flux de gaz d'échappement. Une telle dérivation augmente le débit du gaz traversant la turbine, ce qui accroît la puissance de suralimentation du turbocompresseur 10, surtout aux points de fonctionnement du moteur 1 à faible volume de gaz d'échappement, par exemple aux bas régimes de rotation et de charge du moteur. En présence d'un gradient de pression p2-p3 négatif, quand le niveau de la pression de gaz d'échappement est plus élevé, du gaz d'échappement peut être recyclé à travers l'ouverture de passage lorsque la vanne d'arrêt 8 est ouverte, par son envoi dans le conduit d'air d'alimentation 5. Le débit de gaz dans le bipasse 7 est réglable par la variation de la section d'ouverture de la vanne d'arrêt 8. Cette section est réglée en accord avec le gradient de pression p2-p3 au point de fonctionnement du moteur à ce moment, en vue du réglage de débit optimal dans le mode de dérivation ou dans le mode de recyclage de gaz d'échappement. Le débit d'air dérivé ou le taux de recyclage de gaz d'échappement est fixé par le réglage de la vanne d'arrêt 8 au moyen d'une unité de commande 9, laquelle pilote cette vanne par un signal de commande 17 approprié. L'unité de commande détermine le point de fonctionnement du moteur à partir d'un ou plusieurs paramètres de fonctionnement 16 du moteur, par exemple à partir de sa vitesse de rotation. Il peut cependant être opportun aussi d'alimenter l'unité de commande 9, pour la détermination du point de fonctionnement ou d'une gran- deur de positionnement pour la chaîne de pilotage de la vanne d'arrêt 8, avec des valeurs mesurées de la pression d'alimentation p2 et de la pression de gaz d'échappement p3. L'unité de commande 9 lit dans un diagramme caractéristique 15 les paramètres de réglage optimaux qui y sont mémorisés pour la vanne d'arrêt 8 au point de fonctionnement déterminé. L'unité de commande 9 pilote en outre, par un signal de positionnement 18, la servocommande 14 de la géométrie variable de turbine. Par un changement de la section d'écoulement par suite d'une variation de la géométrie de turbine, l'unité de commande 9 modifie selon les besoins l'effet de retenue de la turbine 11 et peut ainsi produire l'abaissement ou l'augmentation de la pression de gaz d'échappement p3. La turbine à géométrie variable est utilisée comme un organe d'étranglement agissant sur le flux de gaz d'échappement. Lorsqu'un recyclage de gaz d'échappement est opportun pour abaisser l'émission de polluants, la pression de gaz d'échappement p3 est accrue par une retenue du flux de gaz d'échappement, ce qui crée dans le bipasse 7 un gradient de pression p2-p3 négatif, lequel exerce un effet de propulsion de gaz d'échappement dans le conduit d'air d'alimentation 5. De façon analogue, lorsque la quantité d'air dérivé doit être augmentée, la pression de gaz d'échappement p3 peut être abaissée, avec le résultat qu'une plus forte différence de pression p2-p3 envoie une plus grande quantité d'air d'alimentation dans le conduit d'échappement 6. L'unité de commande 9 accorde le signal de positionnement 18 pour la géométrie variable de turbine au signal de commande 17 pour la section de passage du bipasse et établit ainsi le débit de gaz (air dérivé/gaz d'échappement recyclé) désiré dans le bipasse. Donc, à partir d'un diagramme caractéristique , l'unité de commande 9 établit, pour le point de fonctionnement instantané du moteur 1, le mode de fonctionnement et le sens d'écoulement de gaz - entre le conduit d'air d'alimentation 5 et le conduit de gaz d'échappement 6 - prévus pour ce point de fonctionnement, de même que le gradient de pression p2- p3 correspondant et la section d'ouverture de la vanne d'arrêt 8. En étranglant le flux de gaz d'échappement par la variation de la géométrie de turbine et grâce à la possibilité de régler le gradient de pression entre le conduit d'air d'alimentation 5 et le conduit d'échappement 6, on peut produire sélectivement le renversement entre le mode de dérivation d'air et le mode de recyclage de gaz d'échappement dans de grandes plages du diagramme caractéristique. REVENDICATIONS 1. Procédé pour faire fonctionner un moteur à combustion interne (1) suralimenté au moyen d'un turbo- compresseur à gaz d'échappement (10), selon lequel, suivant le point de fonctionnement du moteur (1), par l'ouverture d'une vanne d'arrêt (8) dans un bipasse (7), de l'air d'alimentation comprimé est dérivé d'un conduit d'air d'alimentation (5) - menant au moteur (1) -, à travers le bipasse (7), vers un conduit d'échappement (6) du moteur (1), lequel mène à la turbine (11) du turbocompresseur (10), sous l'effet d'un gradient de pression (p2-p3) positif entre ces deux conduits (5, 6), caractérisé en ce qu'il comprend, en présence d'un gradient de pression (p2-p3) négatif, c'est-à-dire lorsque la pression (p2) dans le conduit d'air d'alimentation (5) est inférieure à la pression (p3) dans le conduit d'échappement (6), la libération du bipasse (7), suivant les besoins, pour le recyclage de gaz d'échappement vers le conduit d'air d'alimentation. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on règle le débit du bipasse (7) par la variation de la section d'ouverture de la vanne d'arrêt (8). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce qu'une unité de commande (9) détermine, sur la base d'un signal d'entrée (16) d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur (1), le mode de fonctionnement (mode de dérivation/mode de recyclage de gaz d'échappement) coordonné au point de fonctionnement instantané, ainsi que le débit correspondant du bipasse (7). 4. Procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gradient de pression (p2- p3) entre les extrémités du bipasse (7) est réglable au moyen d'un organe d'étranglement agissant sur le flux de gaz d'échappement. 5. Procédé selon la revendication 4, caracté- risé en ce que l'unité de commande (9) détermine la pression du gaz d'échappement (p3) en amont de la turbine (11) par le réglage approprié de la section de passage offerte par une géométrie variable de la turbine. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, ca- ractérisé en ce que l'unité de commande (9) établit, à partir d'un diagramme caractéristique (15), le mode de fonctionnement et le sens d'écoulement du gaz entre le conduit d'air d'alimentation (5) et le conduit d'échappement (6) prévus pour le point de fonctionnement instantané du moteur (1), de même que le gradient de pression (p2-p3) correspondant et la section d'ouverture de la vanne d'arrêt (8).