Brevet FR2891311A1 — publié le 20070330

L'invention concerne les moteurs de véhicule bénéficiant d'une forte suralimentation. On connaît par exemple du document EP-1 221 546 un moteur de véhicule comprenant deux turbocompresseurs munis chacun d'une turbine et d'un compresseur. Les deux compresseurs sont disposés en série l'un de l'autre. L'une des turbines qui est à géométrie variable est alimentée en gaz d'une part depuis certains cylindres du moteur et d'autre part par l'autre turbine qui est à géométrie fixe et elle-même alimentée en gaz par d'autres cylindres. On cherche aujourd'hui à améliorer le fonctionnement des moteurs fortement suralimentés. Il s'agit en particulier d'accroître les performances spécifiques en pleine charge lorsqu'un filtre à particules est placé en aval des turbines sur la ligne d'échappement. Il s'agit également d'améliorer le comportement en régime transitoire du moteur. Il s'agit enfin de réaliser de très forts taux de gaz d'échappement re- circulés (ou gaz d'EGR) grâce à la souplesse offerte par la diminution drastique des dimensions des turbocompresseurs haute pression (compresseur et turbine). Un but de l'invention est donc d'améliorer la suralimentation des moteurs fortement suralimentés. A cet effet, on prévoit selon l'invention un moteur de véhicule comprenant: - au moins une turbine de turbocompresseur à géométrie fixe; et - une turbine de turbocompresseur à géométrie variable, le moteur étant agencé pour que la turbine à géométrie variable soit alimentée en gaz 25 seulement par la turbine à géométrie fixe. Le moteur selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - il comprend un circuit agencé pour alimenter en gaz à lui seul la turbine à géométrie variable et de sorte que le circuit soit indépendant de la ou chaque 30 turbine à géométrie fixe; - les turbocompresseurs comprennent chacun un compresseur et il est agencé de sorte que l'un des compresseurs est alimenté en gaz seulement au moyen de l'autre compresseur; et - il comprend un filtre à particules en aval des turbines. On prévoit également selon l'invention un procédé de commande d'un moteur de véhicule dans lequel on alimente en gaz une turbine à géométrie variable d'un turbocompresseur seulement au moyen d'au moins une turbine à géométrie fixe d'un autre turbocompresseur. Le procédé selon l'invention pourra présenter en outre au moins 10 l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - on effectue l'alimentation lorsque le moteur fonctionne à une puissance inférieure à un seuil prédéterminé, et de préférence seulement dans ce cas; - on alimente la turbine à géométrie variable seulement au moyen d'un circuit indépendant de chaque turbine à géométrie fixe; - on alimente en gaz les deux turbines indépendamment l'une de l'autre à partir d'un collecteur du moteur; - on effectue l'alimentation indépendante des turbines lorsque le moteur fonctionne à une puissance supérieure à un seuil prédéterminé, et de préférence seulement dans ce cas; - on alimente en gaz un compresseur de l'un des turbocompresseurs seulement au moyen d'un compresseur de l'autre turbocompresseur; et - on effectue ladite alimentation en gaz des compresseurs quelle que soit la puissance à laquelle le moteur fonctionne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante d'un mode préféré de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un moteur selon un mode préféré de réalisation de l'invention illustrant les circuits d'admission et d'échappement; et - les figures 2 à 6 sont des courbes relatives aux performances du moteur selon l'invention. Nous allons présenter en référence à la figure 1 la structure d'un moteur selon un mode préféré de réalisation de l'invention. Ce moteur comprend un circuit d'admission 2 et un circuit d'échappement 3. Le circuit d'admission comprend un filtre à air, un compresseur 8 d'un turbocompresseur 6, un refroidisseur d'air de suralimentation à basse pression 10 ainsi qu'un autre compresseur 12 d'un autre turbocompresseur 14. Le circuit comprend encore un refroidisseur d'air de suralimentation à haute pression 16. Les composants 4, 6, 10, 12 et 16 qui viennent d'être énumérés s'étendent d'amont en aval dans le circuit d'admission 2 et sont agencés en série pour communiquer les uns avec les autres dans cet ordre. L'extrémité aval du refroidisseur 16 communique avec un collecteur d'admission 18 envoyant les gaz du circuit d'admission dans les chambres de combustion 19 de la culasse du bloc moteur 20. Le circuit d'échappement 3 comprend une turbine à géométrie fixe 22 du turbocompresseur 14 ainsi qu'une turbine à géométrie variable 24 du turbocompresseur 6. En aval des deux turbines, le circuit d'échappement comprend un filtre à particules 26. Le circuit d'échappement du moteur peut avoir deux configurations. Dans la configuration qui a été illustrée à la figure 1, les deux turbines 22 et 24 sont disposées en parallèle l'une de l'autre par référence aux flux de gaz de sorte qu'elles communiquent chacune directement avec d'une part un collecteur d'échappement 28 du moteur en amont et d'autre part le filtre à particules 26 en aval. Dans ce cas, une partie du circuit d'admission forme un circuit agencé pour alimenter en gaz à lui seul à partir du moteur la turbine à géométrie variable 24 et de sorte que ce circuit soit indépendant de la turbine à géométrie fixe 22. Une autre fraction du circuit d'échappement forme un circuit alimentant de façon similaire la turbine à géométrie fixe. Le circuit d'échappement comprend néanmoins des moyens classiques non représentés permettant de le faire passer de cette configuration à une autre configuration dans laquelle la turbine à géométrie variable 24 est en série avec la turbine à géométrie fixe 14 de sorte qu'elle est alimentée en gaz à partir du moteur au moyen de la seule turbine à géométrie fixe. Dans cette configuration, les turbines 22, 24 et le filtre 26 s'étendent en série dans cet ordre d'amont en aval et communiquent les uns avec les autres dans cet ordre. Les deux compresseurs 8 et 12 sont quant à eux agencés en série de façon fixe. On voit donc que le turbocompresseur 6 forme un étage basse pression tandis que le turbocompresseur 14 forme un étage haute pression. Selon le procédé de l'invention, on commande l'agencement en série des deux turbines lorsque la puissance fournie par le moteur 20 est inférieure à un seuil prédéterminé. En revanche, lorsque cette puissance dépasse ce seuil, on commande la configuration en parallèle des deux turbines. On va maintenant décrire plus en détail le fonctionnement de l'invention. Dans le présent exemple, lorsque le moteur tourne à une vitesse inférieure à par exemple 2 750 ou encore 3 000 tours par minute suivant la valeur retenue, le moteur fonctionne de sorte que les deux turbines sont en série. La turbine à géométrie variable 24 permet alors de fournir l'énergie nécessaire à I'entrainement du compresseur basse pression 8 avec un meilleur rendement. En particulier, on minimise le rapport de la pression à l'avant de la turbine par rapport à la consommation spécifique. Au-delà du seuil retenu, les deux compresseurs conservant leur disposition en série, on fait passer les turbines à la configuration en parallèle. Ainsi aux environs de la puissance maximale cible, la turbine haute pression 12 présente de bons rendements avec des taux de détente élevés, typiquement de 2,5. Il s'agira par exemple d'une petite turbine. La valve de type WASTE-GATE, connue en elle-même, qui lui est associée sera en particulier fermée afin de faire passer tout le débit dans la turbine. La turbine basse pression 24 sera de préférence plus grosse. Elle permet de contrôler le niveau de suralimentation par ajustement de sa perméabilité. Le débit est ainsi réparti de façon optimale entre les deux turbines. On fera en sorte que la turbine à géométrie variable présente de bons rendements dans la zone usuelle des taux de détente. Il s'agira par exemple d'une turbine de type à ailettes courbes (par exemple une turbine de type Garrett, type Step 3 ou BWTS, type Gen 4). Le compresseur haute pression 12 offre un niveau de suralimentation qui est permis par l'énergie transmise par la turbine 14, elle-même tributaire du débit qui circule à travers ce turbocompresseur. Le taux de détente étant imposé par le fonctionnement de type parallèle, l'énergie massique étant par ailleurs dépendante du niveau enthalpique des gaz d'échappement, c'est le débit qui permettra d'ajuster le niveau d'énergie nécessaire à I'entrainement du compresseur basse pression 8. En faisant varier la perméabilité de la turbine basse pression 24 grâce au principe de la turbine à géométrie variable, il est possible de contrôler finement le niveau de suralimentation des deux compresseurs à la fois. On pourra passer de l'une à l'autre des configurations par exemple au moyen d'une vanne 3 voies disposée de façon adaptée. Les résultats suivants ont été obtenus par simulation sur le point de régime de puissance maximale à 4 500 tours / minute à 20 C et altitude O. On considère une cible de puissance spécifique de 80 kW/I pour un moteur diesel à 2 litres fonctionnant à richesse 0,8. La turbine haute pression 12 a un diamètre de roue situé entre 31 et 35 mm et la turbine basse pression 8 a un diamètre de roue situé entre 41 et 43 mm. La figure 2 met en évidence le potentiel de cette configuration sous certaines contraintes (vitesse maximale des turbines, pression moyenne indiquée de la boucle basse pression, pression avant turbine, température avant turbine et consommation spécifique...) de fortes puissances spécifiques, à savoir 75, 80 ou 85 kilowatts/I. La figure illustre ainsi pour quatre exemples de turbocompresseur l'évolution de la puissance en fonction du balayage de la position des ailettes périphériques (RCO) de la turbine à géométrie variable à iso richesse. (La position des ailettes est mesurée en abscisse suivant l'échelle classique normalisée de 0 (fermeture) à 1 ouverture complète). On observe que la puissance maximale est atteinte sur une plus large plage de fonctionnement. De plus, un contrôle de la régulation de suralimentation est possible avec notamment une réduction de sensibilité aux perméabilités des lignes d'échappement et au chargement du filtre à particules, ainsi qu'une limitation des déchéances de performance avec les conditions ambiantes etc.... Lorsque les deux turbines fonctionnent en parallèle sous le même taux de détente relativement élevé (typiquement de 2,5 à plus de 3), il devient difficile pour la turbine basse pression de concilier à la fois une perméabilité et un rendement acceptables. Ainsi, bien que la turbine haute pression soit très petite afin de maximiser le débit à travers la turbine basse pression, le fait de réduire très fortement la taille de la turbine basse pression déséquilibre l'optimum perméabilité / rendement en défaveur du dernier: l'équilibre de la suralimentation se rompt et les turbines en parallèle adoptent un nouveau point d'équilibre (ce qui fait baisser le taux de détente et réduit les débits). La turbine à géométrie variable sur les gaz basse pression répond pleinement à cette contrainte. Elle offre une large plage de perméabilité avec de bons rendements à condition de travailler dans le coeur du champ et pour une taille de turbine correspondant au taux de détente visé. La turbine en effet ne doit pas être trop petite. En revanche, une turbine à géométrie variable sur l'étage haute pression ne permet pas de présenter des rendements acceptables pour des taux de détente élevés. On a illustré aux figures 3 et 4 les valeurs modérées de pression moyenne indiquée de la boucle basse pression atteinte ainsi que la consommation spécifique qui peut atteindre près de 245 grammes par kilowatt-heure sur le point de 160 kilowatts avec la meilleure définition technique des turbocompresseurs. Précisément, les figures 3 et 4 illustrent respectivement l'évolution de la consommation spécifique (CSE) et de la pression moyenne indiquée de la boucle basse pression (PMIBP) en fonction de la position des ailettes périphériques du turbocompresseur à géométrie variable coté turbine. La réduction des taux de détente permet de réduire la pression moyenne indiquée de la boucle basse pression et de faire fonctionner la turbine à géométrie fixe dans une zone de meilleur rendement. Par ailleurs, la turbine à géométrie variable à mi-ouverture et pour des taux de détente en baisse fonctionne également dans sa zone optimale. Enfin, les figures 5 et 6 montrent l'évolution de la puissance maximale à iso richesse et de la PMIBP pour deux perméabilités de ligne d'échappement différentes. Sur ces figures, on a illustré plus précisément l'évolution respectivement de la puissance et de la pression moyenne indiquée sur la boucle basse pression en fonction de la PAPT HP, à savoir la pression après turbine haute pression. On illustre ainsi la bonne tenue des performances malgré un chargement du filtre à particules pour une contre-pression à l'échappement passant de 500.105 Pa à 1000.105 Pa. On a retenu ici un diamètre pour le diaphragme à l'échappement simulant un filtre à particules chargé compris entre 28 et 30 mm. L'invention présente de nombreux avantages. La turbine à géométrie variable en parallèle sur l'étage basse pression permet de contrôler le niveau de suralimentation en ajustant la répartition des débits entre les deux turbines disposées en parallèle. On peut ainsi atteindre de fortes puissances spécifiques avec une très forte réduction de la pression moyenne indiquée de la boucle basse pression. De plus, l'ensemble est compatible avec un filtre à particules placé en aval des turbines sur la ligne d'échappement. L'invention améliore la contrôlabilité de la suralimentation sur le point de puissance maximal et aux environs de ce point. On peut ainsi limiter les 30 déchéances liées aux conditions de fonctionnement telles que l'altitude, la température ambiante, etc. L'invention est compatible avec le chargement du filtre à particules et le maintien de la puissance maximale sur une très large plage. L'invention permet de rendre moins sévères les contraintes de fonctionnement du moteur sur le point de puissance maximal, par exemple le rapport entre la consommation spécifique et la température avant turbine. L'invention permet de réduire la taille de la turbine basse pression. Elle permet d'accroître les performances en régime transitoire, notamment lorsque le conducteur appuie avec son pied à fond sur la pédale d'accélérateur à partir de 1000 tours / minute par la réduction de la classe d'inertie de la turbine basse pression et la régulation offerte par la turbine à géométrie variable. L'invention permet de réduire la taille de la turbine haute pression afin d'atteindre un très fort taux de gaz re-circulés compatible avec les futures normes de dépollution. On peut envisager que la turbine à basse pression par sa taille réduite participe dans une plus large plage de fonctionnement en charge partielle afin d'obtenir de forts taux de gaz d'échappement re-circulés dans des zones de faible débit du moteur. L'invention est applicable aux moteurs diesel suralimentés à 4 temps quel que soit le nombre de cylindres. Il est ainsi possible d'envisager un moteur à 3, 4, 5 ou 6 cylindres en ligne et au-delà plusieurs turbines à géométrie fixe associées à une turbine à géométrie variable. Dans le cas d'un moteur en V, tel qu'un moteur V6 ou V8, on pourra prévoir deux turbocompresseurs à géométrie fixe haute pression identiques qui alimentent dans l'idéal chaque rangée de cylindres au nombre de 3 ou 4. Leurs turbines fonctionneront en parallèle de même que les compresseurs. Ces turbines seront associées à un turbocompresseur à géométrie variable coté basse pression dont le compresseur est en série avec les deux compresseurs précités et la turbine en parallèle ou en série suivant les inconstances avec les deux autres turbines. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Moteur de véhicule comprenant: - au moins une turbine (22) de turbocompresseur (14) à géométrie fixe; et - une turbine (24) de turbocompresseur (6) à géométrie variable, caractérisé en ce qu'il est agencé pour que la turbine à géométrie variable soit alimentée en gaz seulement par la turbine à géométrie fixe. 2. Moteur selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comprend un circuit agencé pour alimenter en gaz à lui seul la turbine à géométrie variable (24) et de sorte que le circuit soit indépendant de la ou chaque turbine à géométrie fixe (22). 3. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les turbocompresseurs (6, 14) comprennent chacun un compresseur (8, 12) et il est agencé de sorte que l'un des compresseurs (12) est alimenté en gaz seulement au moyen de l'autre compresseur (8). 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un filtre à particules (26) en aval des turbines (22, 24). 5. Procédé de commande d'un moteur de véhicule, caractérisé en ce qu'on alimente en gaz une turbine à géométrie variable (24) d'un turbocompresseur (6) seulement au moyen d'au moins une turbine à géométrie fixe (22) d'un autre turbocompresseur (14). 6. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'on effectue l'alimentation lorsque le moteur fonctionne à une puissance inférieure à un seuil prédéterminé, et de préférence seulement dans ce cas. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce qu'on alimente la turbine à géométrie variable (24) seulement au moyen d'un circuit indépendant de la ou chaque turbine à géométrie fixe. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce qu'on alimente en gaz les deux turbines (22, 24) indépendamment l'une de l'autre à partir d'un collecteur (28) du moteur. 9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on effectue l'alimentation indépendante des turbines lorsque le moteur fonctionne à une puissance supérieure à un seuil prédéterminé, et de préférence seulement dans ce cas. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'on alimente en gaz un compresseur (12) de l'un des turbocompresseurs seulement au moyen d'un compresseur (8) de l'autre turbocompresseur. 11. Procédé la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on effectue ladite alimentation en gaz des compresseurs quelle que soit la puissance à laquelle le moteur fonctionne.