Brevet FR2815081A1 — publié le 20020412

L'invention concerne un turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne avec une turbine fonctionnant avec les gaz d'échappement dans un circuit pour les gaz d'échappement et un compresseur dans le circuit d'aspiration du moteur à combustion interne pour produire de l'air comprimé de chargement, o dans un canal d'entrée du compresseur, on prévoit une roue du compresseur. L'invention concerne également un procédé de commande d'un tel turbocompresseur dans lequel, en fonction des caractéristiques d'état et io d'opération du turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement et/ou du moteur à combustion interne, des mesures sont prises pour influer sur la pression du compresseur. On connaît, grâce au document DE 42 13 047 A1, un turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, dont le compresseur est actionné par la turbine du turbocompresseur, qui, lorsque le moteur à combustion interne fonctionne, augmente la pression de l'air de combustion de la pression atmosphérique à une pression augmentée. Pour améliorer de manière temporaire le fonctionnement du turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement, le compresseur peut être alimenté par un canal supplémentaire avec de l'air sous pression, ce qui facilite la montée en régime du turbocompresseur pour passer de vitesses de rotation basses à des vitesses de rotation élevées. Ce système permet de faire fonctionner le compresseur à des régimes bas, quand la pression des gaz d'échappement est relativement faible, cette pression étant alors augmentée pour faire fonctionner le turbocompresseur. Avec cette alimentation avec de l'air comprimé, on peut modifier le fonctionnement du compresseur à des points choisis pour compenser partiellement le retard dans la montée en pression du compresseur. Toutefois, cet avantage n'est obtenu qu'au prix de modifications 2 2815081 structurelles et de moyens de réglage fort coûteux. En particulier, il faut prévoir une unité de production d'air sous pression, un réservoir pour l'air sous pression comprenant une conduite pour acheminer l'air jusqu'au compresseur et différents organes de réglage et d'obturation. L'invention a pour but d'augmenter la plage d'utilisation de turbocompresseurs fonctionnant avec les gaz d'échappement et d'en améliorer le fonctionnement, par des mesures simples. Ce but est atteint, en ce qui concerne le turbocompresseur selon l'invention grâce au fait que, dans le canal d'entrée du compresseur en amont de la roue du compresseur, il y a un organe obturateur ajustable pour modifier la section transversale effective du canal d'entrée du compresseur. S'agissant du procédé de commande selon l'invention, ce but est atteint grâce au fait que la section transversale effective du canal d'entrée du compresseur est ajusté de manière contrôlée en fonction du régime du moteur à combustion interne. Le turbocompresseur selon l'invention fonctionnant avec les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comporte un compresseur avec un canal d'admission au compresseur, dans lequel, en amont de la roue du compresseur, il y a un organe obturateur ajustable pour ajuster de manière contrôlée la section transversale effective du canal d'admission du compresseur. Cette forme d'exécution offre I'avantage que la section transversale du canal d'admission du compresseur peut être ajustée de manière contrôlée, grâce à quoi le comportement en service du compresseur peut être modifié de manière contrôlée. Il est possible, en particulier, de modifier la vitesse du flux et le moment cinétique de l'air de combustion introduit. Par exemple, on peut, en diminuant la section transversale effective augmenter la vitesse d'entrée du flux de l'air introduit. Egalement, le moment cinétique avec lequel l'air de combustion quitte la roue du compresseur peut être modifié 3 2815081 par une diminution ou une augmentation de la section transversale effective. Par la modification de la vitesse d'entrée du flux d'air et de son moment cinétique, obtenue en réduisant ou en augmentant la section transversale effective du canal d'admission du compresseur, on peut faire en sorte que, dans des domaines de fonctionnement du moteur à combustion interne déterminés, en particulier à des régimes ou des pressions bas, le compresseur fonctionne également comme une turbine entraînée par l'air, 0o de manière avantageuse sans inversion de la direction de rotation de la roue du compresseur. Lorsque le compresseur fonctionne comme une turbine, la pression arrivant au moteur à combustion interne en aval du compresseur est inférieure à la pression ambiante. Il s'établit ainsi suivant la direction du flux, une chute de pression dans le compresseur. Ainsi, dans les domaines de régime bas, on peut réaliser une chute de pression dans le compresseur, o la pression à l'entrée du compresseur est plus élevée que la pression à la sortie du compresseur, c'est-à-dire à l'admission dans le cylindre du moteur à combustion interne. Cette chute de pression dans le compresseur correspond à un étranglement dans le circuit d'aspiration. De cette manière, on peut créer une dépression dans le tube d'aspiration, ce qui permet un fonctionnement du moteur à combustion interne également dans le domaine des régimes bas, sans clapet d'étranglement dans le tube d'aspiration. Le moteur à combustion interne peut alors fonctionner sensiblement dans le domaine total de régimes de fonctionnement sans clapet d'étranglement, I'ajustement de la pression d'aspiration pouvant se faire uniquement avec le compresseur. Dans une forme d'exécution avantageuse, le compresseur a, pour le flux arrivant à la roue du compresseur, une section transversale d'entrée semi- axiale et une section transversale d'entrée radiale un organe obturateur permettant de modifier de manière contrôlée la section transversale de l'entrée semi-axiale pour le flux. Toutefois, on peut prévoir en plus ou à la 4 2815081 place de l'organe obturateur dans la section transversale semi-axiale pour l'entrée du flux, un organe obturateur dans la section transversale de l'entrée radiale pour le flux. Dans la section transversale de l'entrée semi-axiale pour le flux, I'organe obturateur peut être déplacé de manière contrôlée entre une position de fermeture et une position d'ouverture: dans la position de fermeture, cette section transversale est complètement fermée et, à ce moment, l'air arrive en totalité sur la roue du compresseur par la section transversale de io l'entrée radiale pour le flux. Dans la section transversale de l'entrée radiale pour un flux, on peut prévoir une grille de guidage permettant de modifier le moment cinétique avec lequel l'air arrive sur la roue du compresseur. Ce clapet est ajusté de manière contrôlée, selon le fonctionnement du moteur à combustion interne pour modifier la section transversale radiale de l'entrée pour le flux. Entre la section transversale de l'entrée semi-axiale pour le flux et la section transversale de I 'entrée radiale pour le flux, on prévoit, de manière avantageuse, dans le canal d'entrée du compresseur, une paroi de séparation qui a, de manière avantageuse, une forme annulaire et qui délimite un canal annulaire externe par lequel l'air de combustion arrive dans l'entrée' radiale pour le flux. Ce canal annulaire, disposé coaxialement par rapport à la roue du compresseur, permet une recirculation de l'air de combustion dans des domaines prédéterminés du régime du compresseur et donc de déplacer la limite de pompage du compresseur pour élargir le domaine de travail du compresseur. Lors d'une recirculation, un flux partiel est recyclé par le canal annulaire dans la région d'entrée du compresseur et aspiré avec le flux principal. Ceci permet d'augmenter la puissance d'alimentation du compresseur. Le canal d'entrée du compresseur est réalisé, de manière avantageuse, sous la forme d'un compartiment collecteur annulaire, au centre duquel se 2815081 trouve l'organe obturateur, qui est entouré, de manière avantageuse, par le canal d'entrée du compresseur. Le canal d'entrée du compresseur communique par la section transversale de l'entrée pour le flux avec un compartiment du compresseur recevant la roue du compresseur, un déplacement exclusivement axial de l'organe obturateur suivant la direction de l'axe du turbocompresseur permettant d'ajuster la section transversale effective de l'entrée pour le flux arrivant à la roue du compresseur. io De préférence, les dispositions suivantes sont adoptées: l'organe obturateur dans le canal d'entrée du compresseur est réalisé sous la forme d'un élément axialement mobile; - la section transversale du canal d'entrée du compresseur peut être fermé complètement par l'organe obturateur; - dans la section transversale d'entrée radiale pour le flux, il y a une grille de guidage; - le compartiment collecteur entoure l'obturateur de manière annulaire; et/ou - le compartiment collecteur comporte un filtre à air. Dans le procédé selon l'invention, la section transversale effective du canal d'entrée au compresseur peut être ajustée automatiquement en fonction du régime du moteur à combustion interne. Ce procédé peut être mis en oeuvre, en particulier, avec une ou plusieurs des caractéristiques décrites ci-dessus. En outre, de préférence, il est prévu que: - dans le domaine à régime bas, la section transversale effective pour un fonctionnement de turbine du compresseur est diminuée et qu'elle est augmentée avec le passage dans un domaine à régime plus haut; et/ou 6 2815081 - dans le canal d'entrée du compresseur, la section transversale radiale d'entrée pour le flux et/ou la section transversale d'entrée radiale pour le flux dans la turbine au niveau de la géométrie variable de la turbine est o sont ajustées de manière à ce que la vitesse de rotation du compresseur aux régimes hauts du moteur présente une faible amplitude de variation. D'autres avantages et d'autres formes d'exécution sont décrits dans la description des dessins et dans les dessins, dans lesquels la fig. 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne en cours de fonctionnement, dont le compresseur est pourvu d'un dispositif à géométrie variable, la fig. 2 est une vue en coupe longitudinale d'un compresseur dont le dispositif à géométrie variable, a un organe obturateur pour ajuster, de manière variable, la section transversale effective du canal d'entrée du compresseur, la fig. 3 est une vue en coupe longitudinale du compresseur, dans une autre forme d'exécution, la fig. 4 est un graphique couple moteur - vitesse du moteur, illustrant un domaine avec une chute de pression et deux domaines avec une augmentation de pression dans le compresseur. Dans les figures qui suivent, les mêmes composants sont indiqués avec les mêmes références. Le moteur à combustion interne 1 représenté sur la fig. 1, par exemple un moteur à combustion interne à allumage par étincelle ou un moteur à combustion interne du type diesel, comprend un turbocompresseur 2 avec une turbine 3 fonctionnant avec les gaz d'échappement du circuit 4 des gaz d'échappement du moteur à combustion interne et un compresseur 5 sur la conduite 6 d'aspiration de l'air, le compresseur 5 étant solidaire en 7 2815081 rotation avec la turbine 3 fonctionnant avec les gaz d'échappement via un arbre 7. La turbine 3 est entraînée par les gaz d'échappement en surpression dans le circuit 4 des gaz d'échappement et elle entraîne, par l'intermédiaire de l'arbre 7, la roue 18 d'un compresseur qui aspire l'air environnant sous pression atmosphérique via une conduite 12 d'admission de l'air et le refoule à une pression augmentée. L'air de combustion comprimé sortant du compresseur 5 par le circuit 6 d'aspiration de l'air est d'abord refroidi dans un refroidisseur 9 pour l'air comprimé et ensuite admis dans la conduite d'admission du moteur à combustion interne 1. La turbine 3 fonctionnant avec les gaz d'échappement est équipée d'un dispositif de turbine 8 à géométrie variable dont la configuration est modulée en fonction du régime du moteur à combustion interne et qui permet, lors du fonctionnement du moteur à combustion interne, de fixer, de manière ajustable, la section transversale de l'entrée pour le flux des gaz d'échappement sur la roue de la turbine fonctionnant avec des gaz d'échappement. Le dispositif 8 à géométrie variable peut être ajusté entre une position d'ouverture avec une section transversale permettant un flux maximum et une position de fermeture avec une section transversale ne permettant qu'un flux minimum. Le dispositif à géométrie variable de la turbine est réalisé, par exemple, sous la forme d'une grille de guidage réglable. Ce dispositif à géométrie variable de la turbine peut être ajusté de la manière connue, aussi bien quand le moteur est alimenté en carburant que quand le moteur fonctionne comme frein. En outre, on prévoit une conduite 10 pour le recyclage des gaz d'échappement, entre le circuit 4 des gaz d'échappement et le circuit 6 d'aspiration de l'air, en amont de la turbine 3 fonctionnant avec les gaz d'échappement et en aval du compresseur 5 et du refroidisseur 9 pour l'air comprimé. La conduite 10 pour le recyclage des gaz d'échappement comprend une conduite de liaison entre la section de conduite du circuit 4 8 2815081 des gaz d'échappement et la conduite 6 d'aspiration de l'air, une vanne d'arrêt ainsi qu'un refroidisseur. Pour réduire l'émission de substances nocives et la consommation de carburant, on recycle dans certaines conditions de régime du moteur à combustion interne le gaz d'échappement du moteur à combustion interne par la conduite 10 pour le recyclage des gaz d'échappement du circuit 4 des gaz d'échappement vers la conduite 6 d'aspiration de l'air. Le compresseur 5 du turbocompresseur 2 fonctionnant avec les gaz d'échappement présente, de manière avantageuse, un dispositif 19 à géométrie variable, permettant de modifier de manière contrôlée la section transversale de l'entrée pour le flux arrivant sur la roue 18 du compresseur. Le dispositif 19 à géométrie variable du compresseur est réalisé, par exemple sous la forme d'une grille de guidage disposée dans une section transversale radiale de l'entrée pour le flux donnant sur la roue 18 du compresseur. Le compresseur 5 est disposé dans un compartiment collecteur 1 1 qui est en communication par une admission d'air 12 avec l'air environnant et avec la roue 18 du compresseur d'une part, par la section transversale de l'entrée semi-axiale 13 pour le flux et, d'autre part, par un canal 14 et par la section transversale de l'entrée radiale 15 pour le flux. Dans le compartiment collecteur 11, il y a un organe obturateur 16 permettant d'ajuster la section transversale de l'entrée semi-axiale 13 pour le flux. L'organe obturateur 16 contrôlant la section transversale de l'entrée semi- axiale 13 pour le flux fait partie du dispositif à géométrie variable du compresseur 5. L'unité de commande et de réglage 17 produit des signaux de commande en fonction de paramètres d'état et de régime du moteur à combustion interne 1 et en fonction de signaux d'état du turbocompresseur 2 fonctionnant avec les gaz d'échappement, pour actionner les dispositifs de réglage de la conduite 10 de recyclage des gaz d'échappement, la turbine 3 fonctionnant avec les gaz d'échappement et le compresseur 5 avec son organe obturateur 16 dans le compartiment collecteur 11. Dans un mode de fonctionnement o le moteur à combustion interne 1 est alimenté en carburant, le dispositif 8 à géométrie variable du turbocompresseur 3 fonctionnant avec des gaz d'échappement ainsi que le dispositif 19 à géométrie variable du compresseur 5 (avec l'organe obturateur 16 dans le compartiment collecteur 11) sont ajustés de îo manière à avoir la pression souhaitée pour l'air de combustion admis dans les cylindres du moteur à combustion interne, ainsi qu'un rapport approprié de la pression de l'air comprimé sur la contre-pression du gaz d'échappement. En particulier, quand le régime est bas, il est indiqué de faire fonctionner le compresseur 5 comme une turbine, de manière à avoir une chute pression dans le compresseur 5 telle que l'air en aval du compresseur soit en dépression par rapport à la pression ambiante. A régime plus élevé, on fait fonctionner le compresseur à la manière d'un compresseur conventionnel avec production d'une pression en aval du compresseur dépassant la pression ambiante. Par un réglage approprié de la commande du compresseur, on peut ajuster la pression de la turbine comme nécessaire à une valeur inférieure et également supérieure à la pression ambiante, ce qui permet en substance de se passer d'un élément d'étranglement additionnel en aval du compresseur. Le dispositif à géométrie variable du compresseur peut également être utilisé dans un régime ou le frein sert de moteur. Selon la représentation de la fig. 2, le canal 20 d'admission au compresseur 5 communique avec le compartiment de collecte 11 intégré dans le logement du compresseur d'une part par une section transversale 2815081 d'entrée semi-axiale 13 pour le flux et, d'autre part, par un canal annulaire 14 et une section transversale d'entrée radiale 15 pour le flux. Le canal annulaire 14 - par lequel une partie de l'air de combustion contenu dans le compartiment collecteur 11 peut être amenée à la roue 18 du compresseur via la section transversale d'entrée radiale 15 pour le flux - est séparé par une paroi de séparation 23 et par un support 22 de clapet, du compartiment logeant la roue 18 du compresseur. La paroi de séparation 23, qui est connectée par une entretoise de connexion 24 avec le logement du compresseur, limite par ailleurs la section transversale de 1o l'entrée radiale 13 pour le flux. Le support 22 de la grille de guidage est fixé sur la paroi de séparation 23 et il porte la grille de guidage 21, qui, dans la forme d'exécution selon la fig. 2 est réalisée sous la forme d'une grille de guidage fixe, par laquelle est ajusté le moment cinétique de l'air de combustion amené par la section transversale de l'entrée radiale 15 pour le flux sur les aubes 25 de la roue du compresseur. Le compartiment collecteur 11 est coaxial avec l'axe 26 du compresseur et il entoure de manière annulaire l'organe obturateur 16, qui peut être déplacé par translation dans la direction axiale de la roue 26 du compresseur. L'organe obturateur 16, dont la surface enveloppante a un profil aérodynamique, peut être déplacé à l'aide d'un actionneur 27 entre une position o la section transversale 13 de l'entrée semi-axiale pour le flux a une ouverture maximale et une position o cette section transversale est complètement fermée. Dans la position de fermeture, la surface enveloppante de l'organe obturateur 16 repose de manière étanche sur le côté faisant face de la paroi de séparation 23, de sorte que l'air de combustion dans le compartiment collecteur 11 arrive uniquement par le canal annulaire 14 et par la section transversale de l'entrée radiale pour le flux. L'organe obturateur 16 est en position fermée en particulier en régime bas, et à ce moment le compresseur 5 est utilisé comme turbine. Le fonctionnement en tant que turbine peut être favorisé à i 1 2815081 l'aide d'aubes 25 de roue du compresseur ayant une forme courbe dans la direction de rotation de la roue 18 du compresseur. Lorsque le régime augmente, l'organe obturateur 16 est déplacé dans la direction de son ouverture, de sorte qu'une proportion croissante d'air de combustion est amenée à la roue du compresseur par la section transversale de l'entrée semi-axiale 13 pour le flux. La structure de base du compresseur de la fig. 3 correspond à celle de la 1o fig. 2, avec cependant la différence que la section transversale de l'entrée radiale 15 pour le flux alimentant la roue 18 du compresseur est ajustable de manière contrôlée. Dans la section transversale de l'entrée radiale 16 pour le flux, on trouve la grille de guidage 21, portée par le support 22 de clapet, qui, dans la forme d'exécution représentée, est déplaçable suivant la direction axiale dans un logement 28. Dans le support 22 de la grille de guidage, il y a une ouverture / évidemment dans lequel la grille de guidage 21 est installée de manière fixe, un mouvement de coulissement du support 22 de la grille de guidage permettant de réduire la section transversale de l'entrée radiale 15 pour le flux. Dans une autre forme d'exécution, il peut être indiqué de réaliser le support de la grille de guidage de manière fixe et de réaliser la grille de guidage de manière modifiable dans la section transversale de l'entrée radiale pour le flux, par exemple en association avec une rampe de guidage pivotante. Sur la fig. 4, on a représenté dans trois régions différentes la variation du moment du moteur MMot en fonction de la vitesse de rotation du moteur nMot. Dans un domaine à régime bas, qui correspond à un moment moteur MMot bas, la pression P2 de compression est plus petite que la pression 12 2815081 environnante Pu. Dans ce domaine, le compresseur fonctionne en tant que turbine, avec une dépression au niveau de l'air d'alimentation fourni au cylindre. Un réglage exact de la pression du compresseur peut être effectué par le dispositif à géométrie variable du compresseur, en particulier par le déplacement axial de l'organe obturateur dans le compresseur. Dans un domaine à régime moyen correspondant à un moment moteur moyen MMot, la pression P2 du compresseur est supérieure à la pression 1o atmosphérique Pu. Le compresseur est alors utilisé de la manière conventionnelle et elle produit une compression de l'air ambiant aspiré. Dans ce domaine, on effectue, de préférence, un réglage de l'air par le moment cinétique de l'air de combustion amené sur la roue du compresseur, en particulier par l'ajustement du dispositif à géométrie variable, de préférence par l'intermédiaire de l'organe obturateur coulissant axialement. Dans un troisième domaine à régime haut correspondant à un moment moteur haut MMot, la pression P2 du compresseur est nettement au-dessus de la pression ambiante Pu. Dans ce domaine, le compresseur fonctionne également de la manière conventionnelle. Le réglage de la pression de compression s'effectue de manière avantageuse par le dispositif à géométrie variable de la turbine fonctionnant avec des gaz d'échappement. 13 2815081 Revendications 1. Turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne avec une turbine fonctionnant avec les gaz d'échappement (3) dans un circuit pour les gaz d'échappement (4) et un compresseur (5) dans le circuit d'aspiration (6) du moteur à combustion interne (1) pour produire de l'air comprimé de chargement, o dans un canal d'entrée (20) du compresseur (5), on prévoit une roue (18) du compresseur, caractérisé en ce que dans le canal (20) d'entrée du compresseur en amont de la roue (18) du compresseur, il y a un organe obturateur ajustable (16) pour modifier la section transversale effective du canal (20) d'entrée du compresseur. 2. Turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe obturateur (16) dans le canal (20) d'entrée du compresseur est réalisé sous la forme d'un élément axialement mobile. 3. Turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la section transversale du canal (20) d'entrée du compresseur peut être fermé complètement par l'organe obturateur (16). 4. Turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement selon I'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le compresseur (5) comporte, pour le flux arrivant à la roue (18) du compresseur, une section transversale d'entrée semi-axiale (13) et une section transversale radiale (15). 5. Turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section transversale d'entrée semi-axiale (13) pour le flux est ajustable par l'organe obturateur (16). 14 2815081 6. Turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'une grille de guidage (21) est disposée dans la section transversale d'entrée radiale (15) pour le flux. 7. Turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'entre la section transversale d'entrée semi-axiale (13) pour le flux et la section transversale radiale d'entrée (15) pour le flux, il y a une paroi de séparation (23). 8. Turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le canal (20) d'entrée du compresseur est réalisé sous la forme d'un compartiment collecteur annulaire (11). 9. Turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement selon la revendication 8, caractérisé en ce que le compartiment collecteur (11) entoure l'obturateur (16) de manière annulaire. 10. Turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le compartiment collecteur (11) comporte un filtre à air. 11. Procédé de commande d'un turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier un turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel, en fonction des caractéristiques d'état et d'opération du turbocompresseur fonctionnant avec les gaz d'échappement (2) et / ou du moteur à combustion interne (1), des mesures sont prises pour influer sur la pression (P2) du 2815081 compresseur, caractérisé en ce que la section transversale effective du canal (20) d'entrée du compresseur est ajusté de manière contrôlée en fonction du régime du moteur à combustion interne (1). s 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que dans le domaine à régime bas, la section transversale effective pour un fonctionnement de turbine du compresseur (5) est diminuée et qu'elle est augmentée avec le passage dans un domaine à régime plus haut. Io 13. Procédé selon la revendication 1 1 ou la revendication 12, caractérisé en ce que dans le canal (20) d'entrée du compresseur, la section transversale radiale d'entrée (13) pour le flux et / ou la section transversale d'entrée radiale (15) pour le flux dans la turbine (3) au niveau de la géométrie variable (8) de la turbine est ou sont ajustées de manière à ce que la vitesse de rotation du compresseur aux régimes hauts du moteur présente une faible amplitude de variation.