Brevet FR2804178A1 — publié le 20010727

Système et procédé de suralimentation à rendement amélioré. La présente invention relève du domaine de la suralimentation de moteur thermique, en particulier de la suralimentation par turbo compresseur. De façon générale, un turbocompresseur comprend une turbine et un compresseur. La turbine est entrainée en rotation par les gaz de sortie du moteur en provenance d'un collecteur d'échappement. En sortie de la turbine, les gaz passent ensuite dans les organes d'échappement tels que pot d'échappement, pot catalytique, etc. Le compresseur est entrainé en rotation par la turbine, reçoit en entrée de l'air destiné à alimenter le moteur, et envoie en sortie ce même air sous une pression plus élevée, ce qui permet un meilleur remplissage des cylindres du moteur thermique. Un échangeur thermique peut être disposé sur une conduite entre la sortie du compresseur et l'entrée d'air du moteur. Cet échangeur thermique permet de refroidir l'air qui a été comprimé et donc échauffé par le compresseur. L'échangeur permet d'augmenter la densité de l'air en entrée du moteur, d'où une amélioration du remplissage des cylindres en terme de masse d'air. Toutefois, de tels turbocompresseurs présentent une plage de fonctionnement relativement réduite et il est difficile de réaliser les turbocompresseurs bénéficiant d'une plage de fonctionnement assez large pour un bon compromis entre couple à bas régime et puissance à régime maximal. Un turbocompresseur assure en général les débits élevés liés au régime élevé de rotation du moteur, mais est peu satisfaisant aux faibles débits. Le moteur détermine le débit et la pression d'air en entrée, compte tenu de l'objectif de couple et de caractéristiques propres au moteur telles que le remplissage naturel en l'absence de turbo compresseur. A un point de fonctionnement ainsi déterminé, le turbo compresseur va avoir un rendement donné qui détermine la puissance à lui fournir et la température de sortie et donc également la puissance thermique à évacuer dans l'échangeur pour une température donnée en entrée du moteur. Il faudra concevoir une turbine capable de récupérer suffisamment d'énergie à l'échappement pour entraîner le compresseur à bas régime tout en étant capable de travailler à haut régime sans trop augmenter la pression en amont de la turbine. Dans certains cas, il a été prévu d'assister le turbocompresseur par un moteur électrique pour pallier à une partie du manque de puissance fournie par la turbine. Toutefois, une telle assistance, outre qu'elle entraîne une consommation d'énergie électrique non négligeable, ne change rien sur le fonctionnement du compresseur proprement dit. L'objet de la présente invention est de fournir un système de suralimentation amélioré permettant un bon fonctionnement à bas régime. Le système de suralimentation, selon l'invention, est destiné à un moteur à combustion interne pourvu d'un turbocompresseur. Le turbo compresseur est du type comprenant une turbine entraînée par des gaz d'échappement dudit moteur et un compresseur accouplé à la turbine pour augmenter la pression de l'air d'alimentation du moteur. Le système comprend un moyen pour dériver de l'air d'alimentation en aval du compresseur en fonction du régime du moteur, de façon que le compresseur soit traversé par un débit d'air supérieur au débit d'air d'alimentation fourni au moteur. Avantageusement, ledit moyen pour dériver de l'air d'alimentation est actif en régime permanent. Avantageusement, ledit moyen pour dériver de l'air d'alimentation comprend une conduite de dérivation sur laquelle est disposée une vanne pilotée. Dans un mode de réalisation de l'invention, la conduite de dérivation est reliée à une conduite d'alimentation en air en aval d'un échangeur thermique permettant de refroidir l'air d'alimentation. Dans un mode de réalisation de l'invention, la sortie de la vanne pilotée est reliée à une conduite amont du compresseur. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la conduite de dérivation est reliée à une conduite d'alimentation en air en amont d'un échangeur thermique permettant de refroidir l'air d'alimentation. Dans un mode de réalisation de l'invention, la sortie de la vanne pilotée est reliée à un collecteur d'échappement du moteur en amont de la turbine. Le système peut comprendre un clapet anti-retour disposé en aval de la vanne pilotée, et en amont dudit collecteur d'échappement. L'invention a également pour objet un procédé de suralimentation d'un moteur à combustion interne pourvu d'un turbo compresseur, du type comprenant une turbine entraînée par des gaz d'échappement dudit moteur et un compresseur accouplé à la turbine pour augmenter la pression de l'air d'alimentation du moteur, dans lequel on dérive de l'air d'alimentation en aval du compresseur en fonction du régime du moteur, de façon que le compresseur soit traversé par un débit d'air supérieur au débit d'air d'alimentation fourni au moteur. Avantageusement, le débit de dérivation est piloté. Dans un mode de réalisation de l'invention, la dérivation est effectuée après refroidissement de l'air d'alimentation. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'air de dérivation est envoyé en amont du compresseur. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la dérivation est effectuée avant refroidissement de l'air d'alimentation. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'air de dérivation est envoyé à un collecteur d'échappement du moteur en amont de la turbine. Le turbocompresseur peut être assisté électriquement. La turbine peut être à géométrie variable. Grâce à l'invention, le compresseur voit passer un débit plus élevé, ce qui accroît son rendement et évite des fonctionnements néfastes tels que le pompage. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une courbe montrant l'évolution du rendement du turbocompresseur en fonction du débit du compresseur; - la figure 2 est une vue schématique d'un système de suralimentation selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue schématique d'un système de suralimentation selon un second mode de réalisation de l'invention; - la figure 4 est une vue schématique d'un système de suralimentation selon un troisième mode de réalisation de l'invention; et - la figure 5 est une courbe qui montre l'évolution du couple du moteur en fonction du régime. Comme on peut le voir sur la figure 1, la courbe de rendement d'un turbocompresseur en fonction du débit du compresseur croît fortement pour les faibles débits, puis faiblement pour des débits moyens avant de légèrement décroître pour de forts débits. Ainsi, pour un compresseur donné, on a pour un débit d'air du compresseur de l'ordre de 80 kg/h, un rendement de l'ordre de 23%, ce qui est insuffisant tant en terme énergétique que pour un bon fonctionnement du moteur, alors que pour un débit du compresseur de l'ordre de 125 kg/h, le rendement est d'environ 60% et continue à augmenter jusqu'à un maximum d'environ 73% pour un débit de l'ordre de 250 kg/h. Si l'on souhaite équiper un moteur thermique de faible cylindrée d'un turbocompresseur en vue d'améliorer ses performances, on se situera en de nombreux points de fonctionnement dans une zone où le débit est inférieur à 100 kg/h, donc avec un rendement du turbocompresseur trop faible. L'invention propose d'augmenter le rendement du turbo compresseur en se déplaçant sur la courbe et pour le même point de fonctionnement du moteur, de faire passer un débit d'environ 125 kg/h dans le compresseur tout en maintenant constant le débit d'air dans le moteur. Le rendement du turbocompresseur est alors de 60% et se situe donc dans une zone satisfaisante. L'augmentation du débit d'air dans le compresseur sans modifier le débit d'air dans le moteur, est réalisée au moyen d'un bipasse, comme expliqué plus loin. Sur la figure 2, on voit un moteur thermique 1, par exemple à quatre cylindres, pourvu d'un répartiteur d'air d'alimentation 2 et d'un collecteur d'échappement 3. Il est également prévu un turbocompresseur 4 pourvu d'un compresseur 5 et d'une turbine 6. Le compresseur 5 reçoit de l'air frais par une conduite 7 reliée à une entrée d'air, par exemple pourvue d'un filtre, et envoie en sortie par une conduite 8 de l'air ayant subi une augmentation de pression et, par conséquent, de température. La conduite 8 débouche dans un échangeur thermique 9 qui permet de refroidir l'air comprimé sortant du compresseur 5, la sortie de l'échangeur débouche dans une conduite 10 reliée au répartiteur d'air 2. Dans la conduite 10, immédiatement en amont du répartiteur d'air 2, est prévu un papillon 11 de réglage des gaz et qui est relié, directement ou indirectement, à une pédale d'accélérateur du véhicule, non représentée. Une conduite de dérivation 12 est reliée d'une part à la conduite 10 disposée à la sortie de l'échangeur 9 et, d'autre part, à la conduite 7 d'amenée d'air frais. La conduite de dérivation 12 est pourvue d'une vanne pilotée 13, par exemple pilotée par une unité électronique de commande, non représentée. L'unité électronique de commande peut réaliser d'autres fonctions, telles que la gestion du moteur thermique 1. Le collecteur d'échappement 3 débouche dans une conduite 14 reliée à l'entrée de la turbine 6. La sortie de la turbine 6 débouche dans une conduite d'échappement 15. Une conduite de dérivation 16 est reliée d'une part à la conduite 14 en amont de la turbine 6 et, d'autre part, à la conduite 15 en aval de la turbine 6 et est équipée d'une vanne pilotée 17. La vanne 17 sera, de préférence, également pilotée par une unité électronique de commande, éventuellement la même que celle de la vanne pilotée 13. En fonctionnement à bas régime du moteur thermique 1, la vanne 13 sera largement ouverte, permettant ainsi une dérivation de l'air à la sortie de l'échangeur 9 avant son entrée dans le répartiteur d'air 2, vers la conduite d'entrée 7. On crée ainsi une circulation supplémentaire d'une certaine quantité d'air dans la conduite de dérivation 12, dans la conduite d'amenée 7, dans le compresseur 5, dans la conduite 8, dans l'échangeur 9 et dans la conduite 10, avec retour par la conduite de dérivation 12. Ainsi, sans modifier le point de fonctionnement du moteur thermique 1, c'est-à- dire à débit d'air constant dans le répartiteur d'air 2, on peut augmenter le débit d'air dans le compresseur 5, ce qui décale son point de fonctionnement sur la courbe illustrée sur la figure 1 vers la droite dans le sens des débits compresseurs plus élevés, d'où une augmentation importante du rendement pour un point de fonctionnement à bas débit d'air dans le moteur thermique 1. Le turbocompresseur 4 pourra être assisté électriquement, c'est-à-dire pourvu d'un moteur électrique auxiliaire, non représenté, qui augmentera la puissance disponible pour l'entraînement du compresseur 5, alors que, à bas régime, la puissance que peut prélever la turbine 6 sur les gaz d'échappement est relativement faible. Le prélèvement de l'air de dérivation par la conduite 12 en sortie de l'échangeur 9, permet de ne pas trop augmenter la température de l'air en entrée du compresseur 5. Comme l'on part, à bas débit, d'un point de fonctionnement où le rendement du compresseur est très mauvais, la puissance à fournir au compresseur peut diminuer même en lui demandant plus de débit. A titre d'exemple, en dérivant 30% du débit total, on peut diviser environ par deux la puissance à fournir au compresseur 5. Lorsque le point de fonctionnement du moteur 1 est plus élevé, avec un débit d'air suffisant pour que le compresseur 5 offre un rendement convenable, l'unité électronique de commande provoque progressivement la fermeture de la vanne pilotée 13 et le système de suralimentation fonctionne de façon classique. Avantageusement, la conduite de dérivation 16 pourvue de la vanne pilotée 17, permet de dériver les gaz d'échappement et d'éviter leur passage dans la turbine 6, ce qui est intéressant pour des points de fonctionnement à régime très élevé où la puissance prélevée par la turbine 6 serait excessive. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, la conduite de dérivation 12 et la vanne pilotée 13 du mode de réalisation précédent ont été supprimées et remplacées par une conduite de dérivation 18 prélevant de l'air comprimé échauffé sur la conduite 8 entre le compresseur 5 et l'échangeur thermique 9 et l'envoyant dans le collecteur d'échappement 3 du moteur thermique 1. La conduite de dérivation 18 est équipée d'une vanne pilotée 19 semblable à celle du mode de réalisation précédent et d'un clapet anti-retour 20 disposé entre la vanne pilotée 19 et le collecteur d'échappement 3. Le clapet anti-retour 20 évite que des gaz d'échappement en provenance du collecteur 3 n'atteignent la vanne pilotée 19 en évitant une circulation inverse de gaz à haut régime. Comme précédemment, à bas régime, la vanne pilotée 19 est largement ouverte, ce qui permet d'envoyer une partie de l'air comprimé chaud de la sortie du compresseur 5 directement dans le collecteur d'échappement 3. Comme précédemment, pour un même point de fonctionnement du moteur thermique 1, l'invention permet d'augmenter le débit d'air dans le compresseur 5 et donc de se déplacer sur la courbe de la figure 1 vers une zone de meilleur rendement du compresseur 5. L'air dérivé par la conduite 18 se retrouve dans la conduite 14 qui alimente la turbine 6. La turbine 6 bénéficie ainsi de l'énergie de cet air comprimé chaud et permet d'en récupérer une partie. A haut régime, la vanne pilotée 13 est fermée et le système de suralimentation fonctionne de façon classique. Par rapport au mode de réalisation précédent, on évite le passage de l'air destiné à être dérivé dans l'échangeur thermique. On évite ainsi une sollicitation supplémentaire de l'échangeur. Comme le débit dérivé par la conduite 18 est envoyé en entrée de la turbine 6, on favorise le fonctionnement du turbocompresseur à bas régime en augmentant la puissance que peut fournir la turbine. On peut donc se passer plus facilement de l'assistance du turbocompresseur 4 par un moteur électrique. On pourra également en profiter pour régler le moteur avec un mélange légèrement riche, ce qui permettra un apport d'énergie à la turbine 6 par postcombustion des hydrocarbures imbrûlés. De plus, le fait de décharger l'air de dérivation dans le collecteur d'échappement 3 permet de diminuer les émissions d'hydrocarbures imbrûlés lors d'une décélération du moteur thermique 1, d'où une diminution de la pollution et/ou une moindre sollicitation d'un pot catalytique disposé en aval. A bas régime, la pression de sortie du compresseur 5 est supérieure à la pression d'entrée de la turbine 6, ce qui permet la circulation de l'air par la conduite de dérivation 18. Le clapet anti-retour 20 permettra également d'amorcer le système grâce aux pulsations de pression de l'air. Pour un amorçage autonome du système, il faut que l'énergie récupérée par la turbine 6 soit supérieure au travail à fournir par le compresseur 5 pour augmenter le débit. Il faut donc pouvoir partir du point de fonctionnement à débit dérivé nul, c'est-à-dire le fonctionnement selon l'art antérieur, pour arriver au point de fonctionnement que l'on s'est fixé. Si l'on considère que la richesse globale à la sortie d'échappement reste à la stoechiométrie, on peut calculer l'évolution de la puissance à fournir au compresseur 5 et de la puissance récupérée par la turbine 6 en fonction du débit délivré par la conduite 18. On peut aussi calculer la richesse vue par le moteur. En fait, l'évolution de la puissance récupérée par la turbine 6 est environ trois fois plus rapide que celle de la puissance consommée par le compresseur 5. Il est donc possible d'augmenter le débit et d'amorcer le système. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 4, le système de suralimentation est semblable à celui illustré sur la figure 3, à ceci près qu'il n'est pas prévu de clapet anti-retour sur la conduite de dérivation 18. On peut montrer qu'il est possible d'atteindre un point de fonctionnement où le seul débit supplémentaire à l'échappement permettait d'avoir un fonctionnement autonome du turbocompresseur. On peut utiliser ce type de fonctionnement pour améliorer la suralimentation d'un moteur diesel. Dans ce cas, il faut atteindre ce point de fonctionnement car on ne peut utiliser un enrichissement pour créer l'apport d'énergie, à moins d'injecter du carburant dans une chambre de combustion à l'échappement comme dans le cas du principe de moteur dit "hyperbar". On utilise donc un turbo compresseur 4 assisté électriquement comme envisagé dans le premier mode de réalisation de l'invention. Le moteur électrique assure l'apport d'énergie pour atteindre le point de fonctionnement autonome. La suppression du clapet anti-retour permet d'utiliser la conduite de dérivation 18 pour deux fonctions. D'une part, la fonction de dérivation à bas régime comme dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3 et, d'autre part, pour la recirculation de gaz d'échappement en provenance du collecteur d'échappement 3 vers l'échangeur 9 et le répartiteur d'air 2 du moteur thermique 1 qui permet de réduire la formation des oxydes d'azote lors de la combustion dans le moteur, en décélération ou à bas régime ou à mélange pauvre en introduisant dans les cylindres un mélange d'air et de gaz de combustion recyclé. Sur la figure 5, sont illustrées plusieurs courbes de fonctionnement d'un moteur avec le couple en ordonnée et le régime en t/minute en abscisse. La courbe 21 correspond au cas d'un moteur atmosphérique. La portion de courbe 22 limitée à 3500 t/minute correspond au cas d'un moteur à turbocompresseur classique. La portion de courbe 23 limitée à 3500 t/minute correspond à un moteur pourvu d'un système de suralimentation conforme à l'invention. La portion de courbe 24 pour les régimes supérieurs à 3500 t/minute correspond à un moteur à turbocompresseur, soit classique, soit conforme à la présente invention, équipé d'une conduite de dérivation 16 et d'une vanne pilotée 17 pour la dérivation de la turbine 6, soit encore, d'une turbine à géométrie variable. Un moteur à turbocompresseur classique offre par rapport à un moteur atmosphérique un couple considérablement amélioré, mais uniquement pour les régimes élevés de fonctionnement. A tel point que l'on doit utiliser la dérivation de la turbine 6 pour éviter un accroissement excessif du couple, ce qui a été illustré par la portion de courbe 24. Au contraire, le moteur équipé d'un turbocompresseur selon la présente invention offre un couple élevé dès les bas régimes. On voit que dès 1500 t/minute, le couple est fortement augmenté par rapport au moteur à turbocompresseur classique. On obtient ainsi un moteur présentant un couple très élevé à bas régime par rapport au moteur classique et globalement présentant peu de variations quel que soit le régime de fonctionnement. Les portions de courbes 23 et 24, correspondant à un moteur équipé d'un turbocompresseur conforme à l'invention, reproduisent donc sensiblement la courbe 21 du moteur atmosphérique en la décalant considérablement vers le haut. Ainsi, si l'on souhaite un couple donné, on pourra choisir soit un moteur atmosphérique de forte cylindrée, soit un moteur à suralimentation conforme à l'invention d'une cylindrée très réduite, d'où une réduction de la masse et de l'encombrement du moteur ainsi qu'une diminution des coûts, et une diminution de la consommation du moteur. REVENDICATIONS 1. Système de suralimentation d'un moteur à combustion interne (1) pourvu d'un turbocompresseur (4), du type comprenant une turbine (6) entraînée par des gaz d'échappement dudit moteur et un compresseur (5) accouplé à la turbine pour augmenter la pression de l'air d'alimentation du moteur, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour dériver de l'air d'alimentation en aval du compresseur en fonction du régime du moteur, de façon que le compresseur soit traversé par un débit d'air supérieur au débit d'air d'alimentation fourni au moteur. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit moyen pour dériver de l'air d'alimentation est actif en régime permanent. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit moyen pour dériver de l'air d'alimentation comprend une conduite de dérivation (12) sur laquelle est disposée une vanne pilotée (13). 4. Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la conduite de dérivation est reliée à une conduite d'alimentation en air en aval d'un échangeur thermique (1) permettant de refroidir l'air d'alimentation. 5. Système selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que la sortie de la vanne pilotée est reliée à une conduite amont du compresseur. 6. Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la conduite de dérivation est reliée à une conduite d'alimentation en air en amont d'un échangeur thermique permettant de refroidir l'air d'alimentation. 7. Système selon la revendication 3 ou 6, caractérisé par le fait que la sortie de la vanne pilotée est reliée à un collecteur d'échappement (3) du moteur en amont de la turbine. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend un clapet anti-retour (20) disposé en aval de la vanne pilotée, et en amont dudit collecteur d'échappement. 9. Procédé de suralimentation d'un moteur à combustion interne pourvu d'un turbocompresseur, du type comprenant une turbine entraînée par des gaz d'échappement dudit moteur et un compresseur accouplé à la turbine pour augmenter la pression de l'air d'alimentation du moteur, dans lequel on dérive de l'air d'alimentation en aval du compresseur en fonction du régime du moteur, de façon que le compresseur soit traversé par un débit d'air supérieur au débit d'air d'alimentation fourni au moteur. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le turbo compresseur est assisté électriquement. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, dans lequel la turbine est à géométrie variable.