Brevet FR2875849A1 — publié le 20060331

L'invention concerne les moteurs de véhicules automobiles, et en particulier la fonction de suralimentation de ces moteurs. II est connu d'effectuer une suralimentation en air des moteurs à combustion interne, qui consiste à augmenter la pression de l'air provenant de l'extérieur dans le circuit d'admission. Il est connu d'effectuer cette suralimentation au moyen d'un compresseur à ondes de pression ou PWS (pour Pressure Wave Supercharger). Ce compresseur est constitué d'un rotor formé par une ou plusieurs couches de canaux. Le rotor est en contact par des lumières avec le circuit d'échappement et le circuit d'admission. La différence de pression existant entre les gaz de ces deux circuits provoque une onde de choc à l'intérieur de chaque tube du rotor. Le bon dimensionnement des canaux et un phasage correct de l'ouverture et de la fermeture des lumières du rotor du compresseur permettent d'assurer la suralimentation du moteur. Un tel dispositif est par exemple divulgué dans le document EP-205 843. Un des problèmes posés par cette technologie réside néanmoins dans la maîtrise du taux de gaz dits recirculés dans le moteur, c'est-à-dire du taux de gaz du circuit d'échappement destinés à être réintroduits dans le circuit d'admission. Ces gaz recirculés peuvent en effet limiter fortement les performances spécifiques à haut régime des moteurs utilisant de tels compresseurs. Il est par ailleurs connu d'effectuer la suralimentation au moyen d'un turbocompresseur comprenant une turbine mise en mouvement par les gaz d'échappement et actionnant un compresseur situé dans le circuit d'admission. Il est aujourd'hui difficile de trouver un système permettant d'assurer un niveau de suralimentation suffisant à la fois pour les bas et les hauts régimes de rotation du moteur. (Le problème est d'autant plus aigu que la cylindrée du moteur est faible. En effet, le rendement des petites turbines et des petits compresseurs est plus faible que celui des compresseurs plus gros.) Les dispositifs de suralimentation sont en effet dimensionnés pour atteindre leur optimum de fonctionnement dans une certaine plage de régime du moteur. Cette adaptation partielle se paie donc soit par une chute de performances à haut régime, soit par une forte inertie du moteur à bas régime. Par ailleurs, les modes de combustion propres, c'est-à-dire à faibles émissions polluantes, s'appuient sur de forts taux de gaz recirculés (ou gaz d'EGR) ainsi que de fortes pressions de suralimentation. Or, ces deux points sont difficilement compatibles avec les systèmes de suralimentation traditionnels. Un but de l'invention est d'améliorer la fonction de suralimentation pour accroître les performances du moteur. A cet effet, on prévoit selon l'invention un moteur de véhicule comprenant un compresseur à ondes de pression et un turbocompresseur. Dans un mode préféré de réalisation, on prévoit une double suralimentation avec un élément dédié aux bas régimes de rotation du moteur et un autre dédié aux forts régimes de rotation. En d'autres termes, on utilise le compresseur à ondes de pression de préférence pour les bas régimes de rotation du moteur, sachant que ce compresseur est complété par un turbocompresseur dimensionné pour assurer, lui, la suralimentation à hauts régimes. En effet, dans les bas régimes, les systèmes de type turbocompresseur ne sont pas très performants du fait de leur temps de réponse élevé ( turbo lag ) et les systèmes de type compresseur volumétrique ( roots , Iysholm , e-boost , etc.) sont très pénalisants sur le plan énergétique. De plus, le compresseur à ondes de pression peut jouer le rôle d'une vanne EGR basse pression efficace. Il suffit pour cela de piloter la vitesse de rotation du compresseur. Le compresseur à ondes de pression a un temps de réponse très faible et des besoins énergétiques également très faibles pour fonctionner. II faut simplement compenser les éventuels frottements sur l'axe moteur. Il est donc l'élément idéal pour les bas régimes de rotation du moteur, en complément d'un turbocompresseur qui serait, lui, dédié aux hauts régimes. La double suralimentation du moteur par le compresseur à ondes de pression et le turbocompresseur permet d'obtenir les meilleures performances possibles du moteur dans toute la plage de fonctionnement de celui-ci. Le moteur selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - le turbocompresseur est interposé entre le compresseur à ondes de pression et une culasse du moteur par référence à un circuit d'admission du moteur; - il est agencé pour permettre de suralimenter le moteur conjointement au moyen du compresseur à ondes de pression et du turbocompresseur; - il est agencé pour permettre de suralimenter le moteur au moyen du seul compresseur à ondes de pression; - il est agencé pour permettre de suralimenter le moteur au moyen du seul turbocompresseur; - il est agencé pour permettre de faire fonctionner le moteur sans suralimentation; - il comprend un conduit de dérivation du compresseur du turbocompresseur et des moyens pour commander une circulation de gaz dans le conduit; - il comprend un conduit de dérivation de la turbine du turbocompresseur et des moyens pour commander une circulation de gaz dans le conduit; - il comprend un conduit de dérivation du compresseur à ondes de pression côté échappement et des moyens pour commander une circulation de gaz dans le conduit; - il comprend un conduit de dérivation du compresseur à ondes de pression côté admission et des moyens pour commander une circulation de gaz dans le conduit; - il comprend un refroidisseur interposé entre le compresseur à ondes de pression et le turbocompresseur par référence à un circuit d'admission; - il comprend un refroidisseur situé côté admission en aval du compresseur à ondes de pression et du turbocompresseur; - il comprend un système de post-traitement de gaz d'échappement interposé entre le turbocompresseur et le compresseur à ondes de pression; et - il comprend un système de post-traitement de gaz d'échappement situé en aval du turbocompresseur et du compresseur à ondes de pression. On prévoit également selon l'invention un procédé de fonctionnement d'un moteur de véhicule, dans lequel on suralimente le moteur au moyen d'un compresseur à ondes de pression et d'un turbocompresseur. Ladite suralimentation correspondant à un premier mode de fonctionnement, le procédé selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - on met en oeuvre un deuxième mode de fonctionnement dans lequel on suralimente le moteur au moyen du seul compresseur à ondes de pression; - on met en oeuvre un troisième mode de fonctionnement dans lequel on suralimente le moteur au moyen du seul turbocompresseur; et - on met en oeuvre un quatrième mode de fonctionnement dans lequel on n'effectue pas de suralimentation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante de deux modes préférés de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels: - les figures 1 et 2 sont deux vues schématiques de deux modes de réalisation du moteur selon l'invention. Premier mode de réalisation Nous allons tout d'abord décrire les principaux organes constituant le moteur dans le premier mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 1. Le moteur 2 comprend un circuit d'admission 4 et un circuit d'échappement 6 situés respectivement en amont et en aval d'une culasse 8 du moteur comprenant des chambres dans lesquelles sont reçus des pistons mobiles. Le circuit d'admission 4 comprend deux conduits d'admission d'air 10, 12 s'étendant en parallèle l'un de l'autre en aval d'un filtre à air du moteur. Le conduit 10 débouche dans un compresseur à ondes de pression 14 d'un type connu en soi. L'air sort du compresseur par un conduit 16 qui traverse un refroidisseur 18. Les conduits 12 et 16 débouchent dans un organe 20. Cet organe est relié par un conduit 22 à un compresseur 24 d'un turbocompresseur 26, et par un conduit 28 directement à un conduit 30 s'étendant en aval du compresseur 24 à partir de ce dernier pour mener à un refroidisseur 32. Le conduit 28 constitue par conséquent une dérivation du compresseur 24. L'organe 20 permet de commander l'ouverture ou la fermeture au choix de ce conduit de dérivation 28 et du conduit 22. Le refroidisseur 32 est relié par un conduit 34 à la culasse 8. A partir de la culasse 8, le circuit d'échappement 6 comprend un conduit 40 reliant la culasse 8 à un organe 42 similaire à l'organe 20. C'est ainsi qu'un conduit 44 relie l'organe 42 à une turbine 46 du turbocompresseur, laquelle débouche par un conduit 48 dans un dispositif de post-traitement 50. L'organe 42 est par ailleurs associé à un conduit de dérivation 52 communiquant par son extrémité amont avec l'organe 42 et son extrémité aval avec le conduit 48. Le système de post-traitement 50 sera par exemple un dispositif de type NOx-Trap, un catalyseur d'oxydation ou de réduction, un filtre à particules, une combinaison de ceux-ci, etc. Le dispositif 50 communique par un conduit 54 avec un organe 56 similaire à l'organe 20. C'est ainsi qu'un conduit 60 relie l'organe 56 au compresseur à ondes de pression 14, lequel communique par un autre conduit 62 avec un deuxième dispositif de post-traitement 64 qui peut être de l'un des types énumérés en référence au dispositif 50. Par ailleurs, un conduit de dérivation 66 relie directement l'organe 56 au dispositif de post-traitement 64. Enfin, le moteur comprend un organe 70 apte à mettre en rotation le compresseur à ondes de pression 14. De façon connue en soi, la turbine 46 est reliée par un arbre 72 au compresseur 24 pour mettre ce dernier en rotation. Comme on le voit, le turbocompresseur 26 est donc interposé entre le compresseur à ondes de pression 14 et la culasse 8 par référence aux circuits 4 et 6. De plus, côté admission, le refroidisseur 18 est interposé entre le compresseur à ondes de pression 14 en amont et le compresseur 24. Toujours du côté admission, le refroidisseur 32 s'étend en aval des deux dispositifs de suralimentation 14 et 24. Côté échappement, le moteur comprend les deux dispositifs de posttraitement 50 et 64. Le premier d'entre eux, 50, est interposé entre la turbine 46 en amont et le compresseur à ondes de pression 14 en aval, tandis que le deuxième, 64, s'étend en aval de ces deux dispositifs de suralimentation. Le moteur selon l'invention peut présenter plusieurs modes de fonctionnement, allant du mode dit atmosphérique , c'est-à-dire sans suralimentation, au mode à double suralimentation par le compresseur à ondes de pression et le turbocompresseur, en passant par des modes dans lesquels la suralimentation est assurée par le compresseur à ondes de pression seul ou le turbocompresseur seul. Ces modes de fonctionnement peuvent être mis en oeuvre intégralement ou partiellement sur ce même moteur. Le passage d'un mode à l'autre est piloté par les organes 20, 42 et 56 commandant les conduits de dérivation, et les conduits qui leur sont parallèles, organes qui sont eux-mêmes commandés par le calculateur commandant l'ensemble du fonctionnement du moteur. Mode de fonctionnement en double suralimentation Dans ce mode de fonctionnement, le moteur met en oeuvre les deux 30 étages de suralimentation, à savoir le compresseur à ondes de pression 14 et le turbocompresseur 26. Ainsi, l'air venant du conduit 10 pénètre dans le compresseur à ondes de pression 14, y est comprimé par les gaz d'échappement, puis en sort. Cet air, éventuellement mélangé avec des gaz d'échappement, entre dans le refroidisseur de suralimentation 18 puis dans le compresseur 24. Dans ce mode de fonctionnement, aucun air ne pénètre par le conduit 12 et la dérivation 28 est fermée. Autrement dit, tous les gaz provenant du compresseur à ondes de pression 14 passent également par le compresseur 24. A leur sortie du compresseur, les gaz pénètrent dans le refroidisseur 32, puis entrent dans la culasse 8. Les gaz sortant de la culasse 8 passent dans la turbine 46 sauf éventuellement une partie de ces gaz qui peut passer directement en aval de la turbine sans traverser celle-ci grâce à la dérivation 52. Qu'ils passent ou non par la turbine, les gaz en intégralité traversent le dispositif de post-traitement 50. Les gaz passent ensuite dans le compresseur à ondes de pression 14, sauf éventuellement une partie de ces gaz qui peut être directement redirigée en aval de ce compresseur à l'aide de la dérivation 66. Les gaz passant par le compresseur à ondes de pression 14 servent à comprimer l'air d'admission. Une partie de ces gaz peut par ailleurs à cette occasion être recirculée dans le circuit d'admission à l'aide du compresseur à ondes de pression. La fraction des gaz sortant du compresseur à ondes de pression par le conduit 62, éventuellement mélangés à de l'air, passent dans le système de posttraitement 64, tout comme les gaz y arrivant par le conduit 66. Modes de fonctionnement en suralimentation simple Le calculateur du moteur peut cependant commander un autre mode de fonctionnement du moteur dans lequel la suralimentation est assurée uniquement par le compresseur à ondes de pression 14, sans donc qu'intervienne le turbocompresseur 46. Dans ce cas, le turbocompresseur est exclu du circuit par fermeture des conduits 22 et 44 commandés par les organes 20 et 42. Dans ce cas, les gaz d'admission proviennent intégralement du compresseur à ondes de pression 14 et donc intégralement du conduit 10. Ce mode de fonctionnement sera particulièrement adapté aux bas régimes. Le calculateur peut également commander un mode de fonctionnement dans lequel la suralimentation est assurée par le seul turbocompresseur 26. Cette fois, c'est le compresseur à ondes de pression 14 qui est donc mis en court-circuit. Pour cela, l'air entre uniquement par le conduit 12 et non plus par le conduit 10. De plus, les conduits 28 et 52 permettant de contourner le turbocompresseur sont fermés. Enfin, le conduit 60 est également fermé, de sorte que tous les gaz d'échappement passent par le conduit 66. Ce mode de fonctionnement sera particulièrement adapté aux hauts régimes. Mode de fonctionnement sans suralimentation Le calculateur peut encore commander un mode de fonctionnement du moteur dans lequel ne se produit aucune suralimentation. Dans ce cas, le compresseur à ondes de pression 14 et le turbocompresseur sont mis en court-circuit comme précédemment. Les divers actionneurs du système (associés à l'alimentation du moteur dans la culasse 8, au système d'entraînement 70 du compresseur 14, les organes 20, 42 et 56 commandant les dérivations) sont pilotés par le calculateur en fonction des prestations attendues en termes de performances d'agrément et d'émissions polluantes. Les refroidisseurs 18 et 32 pourront être des refroidisseurs à air ou des refroidisseurs à eau, cette dernière pouvant faire partie du circuit du moteur ou d'un circuit spécifique pour le refroidissement de la suralimentation. Ce moteur pourra exister sans prévoir de refroidisseur de suralimentation 18, 32 ou en prévoyant seulement l'un de ces deux refroidisseurs. Par ailleurs, il sera possible de supprimer certaines des dérivations précitées. Enfin, on pourra également envisager de supprimer au moins l'un des deux systèmes de post-traitement 50, 64. Deuxième mode de réalisation Un deuxième mode de réalisation du moteur selon l'invention est illustré à la figure 2. La plupart des principaux organes du moteur de la figure 1 sont repris et agencés de la même façon, à savoir le compresseur à ondes de pression 14, le turbocompresseur 26, la culasse 8, les refroidisseurs et les systèmes de post-traitement. Sont également conservés les conduits de dérivation 28, 52 et 66 et les organes 20, 42 qui servent à commander les deux premiers. Le dispositif de commande 56 associé dans le premier mode de réalisation au conduit de dérivation 66 est supprimé. Le moteur 102 comprend en outre un système de vannage constitué en l'espèce par des vannes qui permettent de réguler les débits d'alimentation associés respectivement au compresseur à ondes de pression 14 et au turbocompresseur 26. Chacune des vannes 80 ainsi prévue peut être à commande électrique, mécanique ou hydraulique. Ces vannes sont commandées par le calculateur du moteur. Dans ce mode de réalisation, à chacun des conduits 10 et 12 d'arrivée d'air frais est associée une des vannes 80, les deux conduits étant reliés l'un à l'autre en amont de ces vannes et en aval du filtre à air. L'extrémité amont du conduit 66 communique avec le conduit 54 et son extrémité aval communique avec le conduit 62. Entre ces deux extrémités, le conduit 66 porte une vanne 80. En aval de son embranchement avec le conduit 66, le conduit 54 porte également une vanne 80. Il en est de même pour le conduit 62 en amont de son embranchement avec le conduit 66. A nouveau, le moteur peut présenter différents modes de fonctionnement. Ainsi, dans le mode de fonctionnement où la suralimentation est effectuée conjointement par le compresseur à ondes de pression 14 et le 2875849 io turbocompresseur 26, on prévoira que le conduit 12 est fermé par la vanne 80 tandis que le conduit 28 est fermé par l'organe 20. Côté échappement, une partie des gaz passera par la turbine 46 mais on pourra autoriser qu'une autre partie des gaz passe par le conduit 52. De même, on fera en sorte qu'au moins une partie des gaz passe par le compresseur 14 tout en autorisant qu'une autre partie des gaz passe par le conduit de dérivation 66 commandé par la vanne 80. Dans un autre mode de fonctionnement, la suralimentation pourra être effectuée par le compresseur à ondes de pression 14 seul. Dans ce cas, le conduit 12 est encore obturé par la vanne 80 tandis que le dispositif 20 commande le passage intégral des gaz d'admission par la dérivation 28 associée au compresseur 24. Côté échappement, le dispositif 42 commandera le passage de l'intégralité des gaz dans la dérivation 52. Une partie des gaz pourra traverser le compresseur à ondes de pression 14 tandis qu'une autre partie tout au plus pourra être autorisée à passer par la dérivation 66. On pourra prévoir un mode de fonctionnement dans lequel la suralimentation est effectuée par le seul turbocompresseur. Cette fois, c'est le conduit 10 qui est obturé par fermeture de la vanne 80 associée. Le conduit de dérivation 28 est fermé. On autorisera une partie des gaz d'échappement à traverser le conduit 52 tandis que la partie du conduit 54 s'étendant en aval de l'embranchement avec le conduit 66 sera fermée, l'intégralité des gaz d'échappement contournant le compresseur à ondes de pression par la dérivation 66. Enfin, on pourra autoriser un autre mode de fonctionnement du moteur dans lequel n'intervient aucune suralimentation. Pour cela, on fermera le conduit 10 et on forcera l'ensemble des gaz d'admission à passer dans le conduit 28, de sorte que ces gaz contourneront et le compresseur à ondes de pression 14 et le compresseur 24. Côté échappement, les gaz passeront en intégralité par le conduit 52 et la dérivation 66. 2875849 Il Lorsque la suralimentation est effectuée à la fois par le compresseur à ondes de pression et le turbocompresseur, on pourra agencer les vannes et les dérivations pour permettre que cette suralimentation ait lieu par ces deux organes disposés soit en série (de sorte qu'ils compriment successivement les mêmes fractions d'air) ou en parallèle (de sorte qu'ils compriment chacun des fractions d'air non comprimées par l'autre organe ni destinées à l'être) ou encore une configuration mixte dans laquelle on combine les configurations en série et en parallèle. Le positionnement du turbocompresseur 26 en amont du compresseur à ondes de pression 14 côté échappement est favorable au bon fonctionnement de ce dernier pour lequel est adapté de préférence un signal de pression lisse en entrée côté échappement. Ainsi, la turbine placée en amont du compresseur 14 côté échappement fait office de filtre du signal de pression vu par le compresseur 14. Le fonctionnement du compresseur 14 étant basé sur les rapports de pression, il est moins affecté par la chute d'enthalpie occasionnée par le passage des gaz d'échappement à travers la turbine 46 que si la configuration contraire était prévue. On rappelle en effet que l'enthalpie est critique pour un fonctionnement optimum de la turbine. On s'affranchit aussi du problème qui surviendrait dans un moteur utilisant deux turbocompresseurs placés en série et dans lequel la turbine aval serait probablement pénalisée par la faible enthalpie des gaz venant de la turbine amont. Par ailleurs, cette sensibilité moindre à la perte d'enthalpie peut être exploitée en insérant un système de post-traitement entre les deux dispositifs de récupération d'énergie d'échappement, comme c'est le cas pour le dispositif de post-traitement 50. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. 12 REVENDICATIONS 1. Moteur de véhicule comprenant un compresseur à ondes de pression (14), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un turbocompresseur (26). 2. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le turbocompresseur (26) est interposé entre le compresseur à ondes de pression (14) et une culasse (8) du moteur par référence à un circuit d'admission (4) du moteur. 3. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est agencé pour permettre de suralimenter le moteur conjointement au moyen du compresseur à ondes de pression et du turbocompresseur. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est agencé pour permettre de suralimenter le moteur au moyen du seul compresseur à ondes de pression. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est agencé pour permettre de suralimenter le moteur au moyen du seul turbocompresseur. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est agencé pour permettre de faire fonctionner le moteur sans suralimentation. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce qu'il comprend un conduit de dérivation (28) du compresseur (24) du turbocompresseur et des moyens (20) pour commander une circulation de gaz dans le conduit. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit de dérivation (52) de la turbine (46) du turbocompresseur et des moyens (42) pour commander une circulation de gaz dans le conduit. 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit de dérivation (66) du compresseur à ondes de pression (14) côté échappement (6) et des moyens (56;80) pour commander une circulation de gaz dans le conduit. 10. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit de dérivation (12) du compresseur à ondes de pression (14) côté admission et des moyens (80) pour commander une circulation de gaz dans le conduit. 11. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce qu'il comprend un refroidisseur (18) interposé entre le compresseur à ondes de pression et le turbocompresseur par référence à un circuit d'admission. 12. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce qu'il comprend un refroidisseur (32) situé côté admission en aval du compresseur à ondes de pression et du turbocompresseur. 13. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un système de post-traitement (50) de gaz 30 d'échappement interposé entre le turbocompresseur et le compresseur à ondes de pression. 14. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un système de post-traitement (64) de gaz d'échappement situé en aval du turbocompresseur et du compresseur à ondes de pression 15. Procédé de fonctionnement d'un moteur de véhicule, caractérisé en ce qu'on suralimente le moteur au moyen d'un compresseur à ondes de pression (14) et d'un turbocompresseur (26). 16. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite suralimentation correspondant à un premier mode de fonctionnement, on met en oeuvre un deuxième mode de fonctionnement dans lequel on suralimente le moteur au moyen du seul compresseur à ondes de pression (14). 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 ou 16, caractérisé en ce que ladite suralimentation correspondant à un premier mode de fonctionnement, on met en oeuvre un troisième mode de fonctionnement dans lequel on suralimente le moteur au moyen du seul turbocompresseur (26). 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que la suralimentation correspondant à un premier mode de fonctionnement, on met en oeuvre un quatrième mode de fonctionnement dans lequel on n'effectue pas de suralimentation.