Brevet FR2844010A1 — publié le 20040305

' 2844010 Circuit d'air d'admission pour moteur thermique à turbocompresseur L'invention se rapporte au domaine des moteurs thermiques à turbocompresseur, en particulier pour véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un circuit d'air 10 d'admission pour un moteur thermique à turbocompresseur, du type comprenant un conduit d'air principal reliant le turbocompresseur à l'admission du moteur et un refroidisseur principal monté sur le conduit d'air principal pour refroidir l'air de suralimentation envoyé à l'admission du moteur. 15 Les moteurs thermiques utilisés sur les véhicules automobiles, et en particulier les moteurs diesels, sont le plus souvent équipés d'un turbocompresseur pour améliorer les performances du moteur. Le turbocompresseur, entraîné par les gaz d'échappement du moteur, produit de l'air sous pression, encore appelé "air de suralimentation", qui est envoyé à l'admission du moteur. Ainsi, un moteur thermique à turbocompresseur est alimenté par 25 de l'air sous pression, à la différence du moteur thermique classique qui est alimenté par de l'air à pression atmosphérique. Cependant, comme l'air issu du turbocompresseur se trouve à une 30 température élevée, il est nécessaire de le refroidir avant de l'envoyer vers l'admission du moteur, pour que ce dernier puisse fonctionner dans des conditions optimales. C'est la raison pour laquelle on utilise un refroidisseur d'air 35 de suralimentation (en abrégé RAS) qui est placé en sortie du turbocompresseur pour abaisser la température de l'air de suralimentation. *2844010 Il est connu pour cela d'utiliser un refroidisseur principal du type air/air qui refroidit l'air de suralimentation par échange thermique avec un flux d'air extérieur. Il est connu aussi de disposer, en amont du refroidisseur principal du type air/air, un refroidisseur secondaire qui est refroidi à l'eau, que l'on appelle aussi "precooler" (terme anglo-saxon). On sait aussi que les moteurs diesels sont habituellement équipés d'un piège à particules pour limiter l'émission de particules nocives dans l'environnement. Il est connu de réduire le bruit d à la combustion et de faciliter la régénération de ce piège à particules en réchauffant l'air 15 d'admission grâce à un autre échangeur, appelé "Réchauffeur d'Air d'Admission" ("RAA" en abrégé), qui est alimenté par l'eau de refroidissement du moteur. La présence de ces différents échangeurs, qui a certes un effet 20 bénéfique sur le fonctionnement du moteur, a pour inconvénient de générer un volume d'air supplémentaire contenu dans les échangeurs et les conduits d'air. Or, ce volume d'air exerce une influence directe sur le temps de réponse du moteur à l'accélération. L'invention a notamment pour but de surmonter cet inconvénient. Elle vise en particulier à optimiser le fonctionnement du circuit d'air d'admission des moteurs à turbocompresseur 30 équipés d'un refroidisseur d'air de suralimentation. L'invention propose à cet effet un circuit d'air d'admission du type défini en introduction, lequel comprend: - un conduit de dérivation reliant directement le conduit d'air principal, en amont du refroidisseur principal de l'air de suralimentation, à l'admission du moteur, - des premiers moyens de sélection montés à l'intersection du conduit d'air principal et du conduit de dérivation pour 5 envoyer l'air de suralimentation soit vers le refroidisseur principal, soit directement à l'admission du moteur, et - des seconds moyens de sélection reliant le refroidisseur principal à l'admission du moteur, en aval du refroidisseur 10 principal, et aptes à isoler ledit refroidisseur principal du reste du circuit. Ainsi, grâce à ce conduit de dérivation, il est possible d'envoyer directement l'air de suralimentation issu du 15 turbocompresseur vers l'admission du moteur, en contournant ainsi le refroidisseur principal. Ceci a pour avantage, en particulier lors d'une accélération du moteur, d'améliorer le temps de réponse de ce moteur en réduisant le volume d'air compris entre le turbocompresseur et l'entrée du moteur, c'est20 à-dire l'entrée des cylindres. Pour réduire davantage le volume d'air compris entre le turbocompresseur et l'entrée du moteur, les seconds moyens de sélection permettent d'isoler le refroidisseur principal du 25 reste du circuit. Par contre, en mode de fonctionnement normal, les premiers moyens de sélection dirigent l'air de suralimentation vers le refroidisseur principal pour produire un flux d'air refroidi 30 qui est envoyé à l'admission du moteur. Dans le sens o il est utilisé ici, le terme "admission" désigne de façon générale le collecteur d'admission qui reçoit l'air de suralimentation et qui le dirige vers les cylindres du 35 moteur. 4w Dans les moteurs du type précité, il est connu aussi de recirculer une partie des gaz d'échappement en les envoyant vers le collecteur d'admission pour les brler à nouveau dans les cylindres du moteur et réduire l'émission-de gaz nocifs. Selon une autre caractéristique de l'invention, le conduit d'air principal comporte une vanne de réglage servant à contrôler le débit de recirculation des gaz d'échappement du moteur. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le circuit d'air d'admission comprend en outre un refroidisseur secondaire pour l'air de suralimentation, qui est placé en amont du refroidisseur principal d'air de suralimentation. 15 Dans une première variante de réalisation, le conduit de dérivation est relié à la sortie du refroidisseur secondaire. Dans une autre variante de réalisation, le conduit de 20 dérivation est relié à l'entrée du refroidisseur secondaire. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, les moyens de sélection comprennent une vanne amont placée sur le conduit d'air principal, en amont du refroidisseur principal 25 d'air de suralimentation, pour diriger sélectivement l'air de suralimentation soit vers le refroidisseur principal, soit directement à l'admission du moteur via le conduit de dérivation. Il est avantageux, en outre, que le conduit d'air principal comprenne une vanne aval, placée en aval du refroidisseur principal d'air de suralimentation, reliant le refroidisseur principal à l'admission du moteur et apte à empêcher l'air de suralimentation de refluer vers le refroidisseur principal. 35 L'invention permet de réaliser différentes implantations du r ' 2844010 refroidisseur principal d'air de suralimentation. En effet, ce refroidisseur principal peut être situé à côté du moteur en étant relié à l'admission par des conduits appropriés. Cependant, dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse, le refroidisseur principal d'air de suralimentation est implanté dans une chambre d'admission d'air 10 (encore appelée plenum d'admission d'air) que comporte le répartiteur d'air d'admission. Cette solution est particulièrement avantageuse car elle permet de supprimer des conduits de liaison et, par conséquent, de 15 limiter l'encombrement. Dans cette dernière forme de réalisation, on peut prévoir un volet de fermeture implanté dans le plenum, en aval du refroidisseur principal d'air de suralimentation, pour isoler 20 le volume d'air compris entre l'amont du refroidisseur principal, le refroidisseur principal, et l'admission du moteur. On isole ainsi le volume d'air compris entre le turbocompresseur et l'admission du moteur en empêchant l'air de suralimentation de refluer vers le refroidisseur principal. 25 Dans la description qui suit, donnée seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: - les Figures 1A et lB montrent un circuit d'admission d'air 30 selon une première forme de réalisation de l'invention, pour deux modes de fonctionnement différents; - les Figures 2A et 2B montrent un circuit d'air d'admission, selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, pour deux modes de fonctionnement différents; - les Figures 3A et 3B montrent un circuit d'air d'admission selon une troisième forme de réalisation de l'invention, pour deux modes de fonctionnement différents; et - les Figures 4A et 4B montrent un circuit d'air d'admission selon une quatrième forme de réalisation de l'invention, pour deux modes de fonctionnement différents. On se réfère d'abord aux Figures 1A et lB qui représentent un moteur thermique 10, en particulier un moteur diesel, destiné à un véhicule automobile, en particulier à un véhicule de tourisme. Le moteur 10 comprend un collecteur d'admission 12 (appelé par la suite "admission" pour simplifier) et un collecteur d'échappement 14 (appelé par la suite "échappement" pour simplifier). Le moteur 10 est alimenté par un circuit d'air d'admission comprenant un conduit d'air principal 16 reliant un turbocompresseur 18 à l'admission 12 du moteur. Le turbocompresseur 18 est entraîné par les gaz d'échappement du 20 moteur et est alimenté par de l'air extérieur. Il produit un flux d'air sous pression, appelé "air de suralimentation", qui est envoyé à l'admission 12 du moteur. Sur le conduit d'air principal 16, est intercalé, de façon en soi connue, un refroidisseur principal 20 d'air de suralimentation (appelé 25 "RAS" en abrégé). Ce refroidisseur a pour fonction de refroidir l'air de suralimentation par échange thermique avec de l'air frais extérieur. Il s'agit donc d'un échangeur de chaleur du type 30 air/air. On peut également envisager de refroidir l'air de suralimentation avec le liquide de refroidissement. Il s'agit alors d'un échangeur de chaleur du type air/eau. De façon en soi connue, l'échappement 14 du moteur est relié à 35 un conduit d'échappement 22 sur lequel est raccordée une vanne 24 qui permet de recirculer vers le moteur une partie des gaz d'échappement grâce à un conduit 26. Pour augmenter la quantité des gaz recirculés, la pression du circuit d'air principal est réduite au moyen d'une vanne 28 de type proportionnel. En aval de la vanne 24 est monté un échangeur de chaleur 30 encore appelé "exhaust gas recirculation cooler" (terme anglosaxon) dont la fonction est de refroidir les gaz d'échappement recirculés qui sont envoyés au moteur. Les gaz d'échappement ainsi recirculés sont brlés à nouveau, en même temps que l'air 10 d'admission, dans les cylindres du moteur pour améliorer la combustion et diminuer l'émission de gaz nocifs dans l'environnement. Le moteur 10 avec son circuit d'admission et son circuit 15 d'échappement, tel qu'il vient d'être décrit jusqu'à présent, est de structure en soi connue. Comme indiqué précédemment, il a pour inconvénient d'augmenter le volume d'air présent dans le circuit d'admission entre le 20 turbocompresseur 18 et l'admission 12, ce qui augmente le temps de réponse du moteur, notamment à l'accélération. Pour éviter cet inconvénient, le circuit d'air d'admission de l'invention comprend, en outre, un conduit de dérivation 32 qui 25 relie directement le conduit d'air principal 16, en un point situé en amont du refroidisseur principal 20, à l'admission 12 du moteur. Pour cela, une vanne de sélection 34 (encore appelée "vanne amont") est placée en amont du refroidisseur 20, à l'intersection du conduit d'air principal 16 et du conduit de 30 dérivation 32. Cette vanne de sélection a pour fonction de diriger l'air de suralimentation soit vers le refroidisseur principal 20, soit directement à l'admission 12 du moteur via le conduit de dérivation 32. Dans cette dernière position, une vanne de sélection 36 (appelée "vanne aval") de type "tout ou rien", placée en aval "w 2844010 du refroidisseur 20 et reliant le refroidisseur principal 20 à l'admission 12, empêche l'air de suralimentation de refluer vers ledit refroidisseur principal 20. La vanne de sélection 34 est avantageusement une vanne de type trois voies actionnée par un micromoteur et pilotée par un circuit de commande approprié qui tient compte des paramètres de fonctionnement du moteur thermique. Le dispositif de l'invention fonctionne de la façon suivante. Dans le mode de fonctionnement de la Figure 1A, la vanne de sélection 34 dirige l'air de suralimentation directement vers l'admission du moteur 12, en contournant le refroidisseur principal 20. Cet air de suralimentation est dirigé directement 15 à l'admission du moteur 12, en même temps qu'une partie des gaz d'échappement recirculés, au travers de la vanne de réglage 24. La vanne 36 est alors fermée, le volume d'air compris entre l'amont du refroidisseur principal 20, le refroidisseur 20 et l'admission 12 est isolé par les vannes 34 et 36. Dans ce mode 20 de fonctionnement, le volume d'air compris entre le turbocompresseur 18 et l'entrée des cylindres du moteur est réduit, ce qui permet d'améliorer le temps de réponse du moteur, notamment lors d'une accélération. En revanche, dans le mode de fonctionnement normal tel que représenté à la Figure lB, la vanne de sélection 34 dirige l'air de suralimentation vers le refroidisseur principal 20. Le conduit d'air principal 16 est relié à l'admission 12 au 30 travers de la vanne 36 qui est alors ouverte. Dans ce mode de fonctionnement normal, le flux d'air de suralimentation est refroidi par le refroidisseur principal 20 avant d'être envoyé à l'admission du moteur. On se réfère maintenant aux Figures 2A et 2B qui montrent une autre forme de réalisation proche de celle des Figures 1A et lB. Les éléments communs sont désignés par les mêmes références numériques. Dans cette forme de réalisation, le circuit d'air comprend, en outre, un refroidisseur secondaire 38 pour l'air de suralimentation, qui est placé en amont du refroidisseur 5 principal 20. Ce refroidisseur secondaire, encore appelé "precooler" (terme anglo-saxon), a pour fonction de prérefroidir l'air de suralimentation avant son refroidissement par le refroidisseur principal 20. Alors que le refroidisseur principal 20 est un échangeur du type air/air, le refroidisseur 10 secondaire 38 est habituellement un échangeur du type air/eau. Il est habituellement parcouru par le liquide de refroidissement du moteur. Cet échangeur peut aussi réaliser la fonction de réchauffer l'air d'admission pour réduire le bruit et faciliter la régénération du piège à particules (non 15 représenté). Dans la forme de réalisation des Figures 2A et 2B, la vanne de sélection 34 est placée entre les refroidisseurs 20 et 38. Ainsi, le conduit de dérivation 32 est relié à la sortie du 20 refroidisseur secondaire 38. Les Figures 2A et 2B correspondent respectivement aux modes de fonctionnement des Figures 1A et lB. La différence principale réside dans le fait que, dans les deux modes de fonctionnement, l'air de suralimentation est prérefroidi à la sortie du turbocompresseur. Ainsi, dans le cas 25 de la Figure 1A, l'air de suralimentation est prérefroidi avant d'être envoyé directement à l'admission du moteur. Dans le cas de la Figure 2B, l'air de suralimentation est prérefroidi avant d'être refroidi dans le refroidisseur principal 20 et d'être envoyé à l'admission du moteur. 30 La forme de réalisation des Figures 3A et 3B s'apparente à celle des Figures 2A et 2B. La différence principale réside dans le fait que le conduit de dérivation 32 est relié à l'entrée du refroidisseur secondaire 38. 35 Les moyens de sélection comprennent deux vannes: une vanne X' ' 2844010 amont 34 analogue à la vanne 34 des deux modes de réalisation précédents, mais placée ici en amont du refroidisseur secondaire 38, et une autre vanne 40 placée en aval, donc à la sortie du refroidisseur secondaire 38. Dans le mode de fonctionnement de la Figure 3A, la vanne 34 dirige l'air de suralimentation vers le conduit de dérivation 32, donc vers l'admission 12 du moteur. Ainsi, l'air de suralimentation est envoyé directement à l'admission du moteur, 10 sans avoir été prérefroidi, contrairement à la forme de réalisation précédente. Les vannes 40 et 36 empêchent l'air de suralimentation de parvenir au refroidisseur principal 20 en l'isolant du reste du 15 circuit. Dans le mode de fonctionnement de la Figure 3B, la vanne 34 envoie l'air de suralimentation vers le refroidisseur secondaire 38 et la vanne 40 envoie l'air de suralimentation, 20 ainsi prérefroidi, vers le refroidisseur principal 20. Ainsi, l'air de suralimentation est successivement prérefroidi et refroidi avant d'être envoyé à l'admission du moteur. On se réfère maintenant aux Figures 4A et 4B qui montrent une autre forme de réalisation de l'invention qui s'apparente à la forme de réalisation des Figures 1A et lB. Dans cette forme de réalisation, le refroidisseur principal 20 30 est implanté sur le moteur 10, dans le plenum d'admission d'air 42 (encore appelé chambre d'admission d'air) que comporte le répartiteur d'air d'admission (non représenté). On retrouve dans cette forme de réalisation les éléments principaux de la forme de réalisation des Figures 1A et lB, les éléments communs 35 étant désignés par les mêmes références numériques. Sur le conduit d'air principal 16, est montée la vanne de sélection 34 ilZ (ou "vanne amont"), laquelle présente deux sorties. Une des sorties de la vanne 34 est reliée au conduit de dérivation 32 qui aboutit à l'admission 12 du moteur. L'autre sortie de la vanne 34 mène à l'entrée du refroidisseur principal 20. Comme dans la forme de réalisation des Figures lA et lB, la vanne de réglage 24 est reliée au conduit 26 qui recircule les gaz d'échappement. Un volet de fermeture 46 est implanté dans le plenum 42, en aval du refroidisseur principal 20, pour isoler le volume d'air compris entre l'amont du refroidisseur principal 20, le refroidisseur 20 et l'admission 12. Ce volet de fermeture 46 constitue l'homologue de la vanne aval 36 représentée dans les 15 formes de réalisation précédentes. Le volet peut être, par exemple, du type à registre, ce qui permet de limiter son encombrement, et commandé par un actionneur 45. Dans le mode de fonctionnement de la Figure 4A, le volet 46 est 20 fermé. L'air de suralimentation est envoyé directement à l'admission 12 du moteur par l'intermédiaire du conduit de dérivation 32. Le moteur est alimenté conjointement par l'air de suralimentation et les gaz d'échappement recirculés, le contrôle du débit d'air de suralimentation s'effectuant par la 25 vanne de réglage 28, le contrôle du débit des gaz recirculés s'effectuant par la vanne 24. Dans le mode de fonctionnement de la Figure 4B, le volet 46 est ouvert. La vanne 34 dirige l'air de suralimentation vers le 30 refroidisseur principal 20 implanté dans le plenum 42. A sa sortie du refroidisseur principal 20, l'air de suralimentation passe à travers le volet 46 qui est ouvert, pour gagner l'admission 12 du moteur, de façon analogue au mode de fonctionnement de la Figure lB. 35 Le circuit d'air d'admission de l'invention permet ainsi de pouvoir envoyer l'air de suralimentation soit directement à l'admission du moteur, soit par l'intermédiaire du refroidisseur principal, éventuellement en passant au préalable au travers d'un refroidisseur secondaire. Le premier mode de 5 fonctionnement permet de limiter le volume d'air contenu dans les échangeurs et les conduits d'air, et d'améliorer le temps de réponse du moteur, notamment à l'accélération. Dans les différentes formes de réalisation de l'invention, les 10 éléments de commande, et en particulier les moyens de sélection, sont pilotés par un circuit de commande approprié (non représenté). Ce circuit tient compte des paramètres de fonctionnement du moteur thermique, notamment des paramètres d'injection, de la charge du moteur et du débit des gaz 15 recirculés. L'invention trouve une application aux moteurs de véhicules automobiles, et notamment aux véhicules de tourisme. Revendications 1. Circuit d'air d'admission pour un moteur thermique à turbocompresseur, comprenant un conduit d'air principal (16) 5 reliant le turbocompresseur à l'admission (12) du moteur et un refroidisseur principal (20) monté sur le conduit d'air principal pour refroidir l'air de suralimentation envoyé à l'admission du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend: - un conduit de dérivation (32) reliant directement le conduit d'air principal (16), en amont du refroidisseur principal (20) de l'air de suralimentation, à l'admission (12) du moteur, 15 - des premiers moyens de sélection (34; 40) montés à l'intersection du conduit d'air principal (16) et du conduit de dérivation (32) pour envoyer l'air de suralimentation soit vers le refroidisseur principal (20), soit directement à l'admission 20 (12) du moteur, et - des seconds moyens de sélection (36; 46) reliant le refroidisseur principal (20) à l'admission (12) du moteur, en aval du refroidisseur principal (20), et aptes à isoler ledit 25 refroidisseur principal (20) du reste du crcuit. 2. Circuit d'air d'admission selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit d'air principal (16) comporte une vanne de réglage (28) servant à contrôler le débit de 30 recirculation des gaz d'échappement du moteur. 3. Circuit d'air d'admission selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un refroidisseur secondaire (38) pour l'air de suralimentation est placé en amont du 35 refroidisseur principal (20) d'air de suralimentation, et en ce que le conduit de dérivation (32) est relié à la sortie du refroidisseur secondaire (38). 4. Circuit d'air d'admission selon l'une des revendications ---1 et 2, caractérisé en ce qu'un refroidisseur secondaire (38) 5 pour l'air de suralimentation est placé en amont du refroidisseur principal (20) d'air de suralimentation, et en ce que le conduit de dérivation (32) est relié à l'entrée du refroidisseur secondaire (38). 5. Circuit d'air d'admission selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de sélection comprennent une vanne amont (34) placée sur le conduit d'air principal (16), en amont du refroidisseur principal (20) d'air de suralimentation, pour diriger sélectivement l'air de 15 suralimentation soit vers ledit refroidisseur principal (20), soit directement à l'admission (12) du moteur via le conduit de dérivation (32). 6. Circuit d'air d'admission selon l'une des revendications 20 1 à 5, caractérisé en ce que le conduit d'air principal (16) comprend une vanne aval (36), placée en aval du refroidisseur principal (20) d'air de suralimentation, reliant le refroidisseur principal (20) à l'admission (12) du moteur et apte à empêcher l'air de suralimentation de refluer vers le 25 refroidisseur principal (20) 7. Circuit d'air d'admission selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le refroidisseur principal (20) d'air de suralimentation est implanté dans un plenum 30 d'admission d'air (42) que comporte le répartiteur d'air d'admission. 8. Circuit d'air d'admission selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un volet de fermeture (46) 35 implanté dans le plenum d'admission d'air (42), en aval du refroidisseur principal (20) d'air de suralimentation, pour 2844010 15 isoler le volume d'air compris entre l'amont du refroidisseur principal (20), le refroidisseur (20) et l'admission (12) du moteur.