Brevet FR2909730A1 — publié le 20080613

Dispositif d'alimentation en air frais d'un moteur à combustion interne du type suralimenté L'invention se rapporte à un dispositif d'alimentation en air frais d'un moteur à combustion interne, du type suralimenté par exemple par turbocompresseur ou par compresseur centrifuge. L'invention est notamment destinée à être mise en oeuvre dans un véhicule automobile. Une limitation rencontrée sur les moteurs du type suralimenté, qu'ils soient à essence, du type Diesel ou à gaz (type Gaz de Pétrole Liquéfié (GPL), ou Gaz Naturel Véhicules (GNV)), concerne le phénomène aérodynamique dit de pompage des moyens de compressions notamment du type compresseur ou turbocompresseur. Ce phénomène de pompage se traduit par des fluctuations rapides de débit et de pression du flux d'air frais destiné au moteur à combustion interne. Le pompage des moyens de compression provoque ainsi un fonctionnement instable de la turbomachine et donc du moteur. Ce phénomène de pompage est donc préjudiciable pour le bon fonctionnement du moteur sur le véhicule. Ce phénomène est notamment pénalisant pour obtenir de forts rapports de compression et des performances élevées aux faibles débits du moteur, c'est-à-dire en cas de fonctionnement du moteur à bas régime. II est connu d'éviter le phénomène de pompage des moyens de compression en réduisant le rapport de compression des moyens de compression. Ceci a cependant un effet négatif sur le niveau de performance du moteur. Par ailleurs, on connaît de DE 102 17 760, un dispositif de répartition d'un flux d'air frais dans un moteur à combustion interne atmosphérique, notamment de véhicule automobile, comportant un répartiteur d'air frais en communication de fluide, côté entrée, avec un conduit d'alimentation en air frais et, côté sortie, avec un moteur à combustion interne au moyen de plusieurs conduits de liaison. Chaque conduit de liaison est relié à une chambre de combustion du moteur. Le répartiteur d'air frais est également en communication de fluide avec un résonateur de Helmholtz dont la fréquence de résonance est adaptée pour améliorer le remplissage en air frais des chambres de combustion à un certain régime prédéterminé au moyen d'une suralimentation par oscillation d'admission, c'est-à-dire au moyen d'une suralimentation dans laquelle la charge fraîche est légèrement précomprimée par une oscillation de pression résultant d'une résonance dans le résonateur de Helmholtz. 2909730 2 Ainsi, le résonateur de Helmholtz est mis en oeuvre dans cette application de manière à amplifier l'onde de pression. Par ailleurs, le volume du résonateur de Helmholtz peut être modifié en fonction du régime moteur pour adapter sa fréquence de résonance au régime 5 moteur. La gorge de liaison du volume du résonateur au répartiteur d'air peut également être obturée au moyen d'une valve papillon. Cependant, ce document se rapporte à un moteur atmosphérique, c'est-à-dire non suralimenté, et n'évoque donc pas le problème du pompage des moyens de compression dans un dispositif d'alimentation en air frais d'un moteur suralimenté. 10 En outre, on peut noter que la compression de l'air frais d'alimentation d'un moteur du type suralimenté, généralement réalisée au moyen d'un turbocompresseur ou d'un compresseur centrifuge, est nettement supérieure à la compression réalisée ici dont le but est uniquement de réaliser un remplissage suffisant de la chambre de combustion pour que le carburant ne soit pas en excès dans la chambre de 15 combustion par rapport à l'air frais. Un but de l'invention est de proposer un dispositif d'alimentation en air frais d'un moteur à combustion interne du type suralimenté ne présentant pas les défauts susnommés et permettant, notamment, de réduire voire d'éviter le phénomène de pompage des moyens de compression sans nuire au niveau de performance du 20 moteur, notamment à bas régime. On atteint ce but de l'invention au moyen d'un dispositif d'alimentation en air frais d'un moteur à combustion interne comportant au moins un conduit d'alimentation en air sur lequel sont disposés des moyens de compression d'un flux d'air d'alimentation dudit moteur, remarquable en ce qu'il comporte en outre, disposé sur 25 ledit conduit d'alimentation en air, un dispositif d'amortissement de l'onde de pression générée par ledit moteur dans ledit flux d'air de manière à réguler la pression dudit flux d'air. Ainsi, comme il apparaîtra plus clairement au vu de la description qui va être donnée de l'invention, il est possible d'amortir les ondes de pression dues aux 30 vibrations du moteur, qui apparaissent en amont de la chambre de combustion, au moyen du dispositif d'amortissement. Le phénomène de pompage s'en trouve réduit. En effet, on a pu constater que le phénomène de pompage des moyens de compression peut être accentué par les ondes de pression qui sont générées par le moteur et éventuellement amplifiées par des éléments de la ligne d'admission, ces 2909730 3 ondes de pression ayant tendance à amplifier les variations de débits et de rapports de compression instantanés des moyens de compression. On peut alors accentuer le taux de compression du moteur, même à bas régime, ce qui permet d'améliorer les performances du moteur. 5 De préférence, le dispositif d'alimentation en air frais d'un moteur à combustion interne du type suralimenté selon l'invention présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - ledit dispositif d'amortissement est du type résonateur de Helmholtz comportant une cavité apte à être mise en communication de fluide avec ledit 10 conduit d'alimentation en air ; - ladite cavité est montée en série dans ledit conduit d'alimentation en air ; - ledit dispositif d'amortissement du type résonateur de Helmholtz est montée en parallèle dudit conduit d'alimentation, une gorge débouchant d'une part dans ladite cavité et d'autre part dans ledit conduit d'alimentation en air ; 15 - il comporte des moyens sélectivement activables de blocage de la communication de fluide entre ladite cavité et ledit conduit d'alimentation en air; - il comporte en outre des moyens pour modifier la section de ladite gorge ; - il comporte des moyens pour modifier le volume de ladite cavité ; 20 - lesdits moyens pour modifier ledit volume de ladite cavité comportent des moyens pour déplacer, de manière étanche, au moins une paroi de ladite cavité ; - lesdits moyens pour déplacer une paroi de ladite cavité comportent une vis sans fin solidaire de ladite paroi et entraînée en rotation par un actionneur, un 25 écrou fixe par rapport à ladite cavité étant monté sur ladite vis sans fin ; - lesdits moyens d'amortissement sont disposés sur ledit conduit d'alimentation, en aval desdits moyens de compression ; et - lesdits moyens d'amortissement sont disposés sur ledit conduit d'alimentation, en amont desdits moyens de compression. 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de l'invention qui va suivre, donnée à titre d'exemple illustratif en regard des figures sur lesquelles les figures 1 à 4 représentent schématiquement un détail d'un dispositif d'alimentation en air frais d'un moteur à combustion interne du type suralimenté selon des modes de réalisation différents de l'invention. 2909730 4 Sur les figures, les éléments identiques ou de fonction identique sont repérés par la même référence numérique. On se réfère tout d'abord à la figure 1 sur laquelle est représenté schématiquement un détail d'un dispositif 10 d'alimentation en air frais d'un moteur à 5 combustion interne, du type suralimenté par exemple par turbocompresseur ou par compresseur centrifuge, dans un véhicule automobile, selon un premier mode de réalisation. Ce dispositif 10 comporte un conduit d'alimentation 12 en air frais comportant en l'espèce deux branches 12a, 12b. Les branches 12a, 12b du conduit 10 d'alimentation sont classiquement de forme cylindrique. Le conduit d'alimentation 12 met en communication de fluide une entrée d'air frais 14 qui peut être munie d'un dispositif de filtre à air, à une sortie du conduit 16, en communication de fluide avec les chambres de combustion du moteur à combustion interne à alimenter (non représentées) par exemple au moyen d'un répartiteur d'admission (non représenté). 15 Les branches 12a, 12b, sont de préférence en matière plastique. Les branches 12a, 12b peuvent être fabriquées en morceaux à assembler par exemple par soudure, thermosoudure ou par tout autre moyen d'assemblage. Des moyens de compression 18 de l'air frais sont montés entre les deux branches 12a, 12b du conduit d'alimentation 12. En l'espèce, ces moyens de 20 compression 18 sont du type compresseur, mais d'autres types de moyens de compression sont envisageables comme notamment un turbocompresseur. Ces moyens de compression 18 permettent de compresser le flux d'air frais 20 à pression atmosphérique provenant de l'entrée d'air frais 14, de manière à obtenir un flux d'air frais compressé 22 destiné à alimenter un moteur à combustion interne du type 25 suralimenté. De manière remarquable, le dispositif 10 selon l'invention comporte un dispositif d'amortissement 24, en l'espèce du type résonateur de Helmholtz, disposé de manière à être en communication de fluide avec le conduit d'alimentation 12. De manière connue en soi par l'homme du métier, le résonateur de Helmholtz, 30 qui comporte une cavité dans laquelle s'engouffre un flux d'air, permet de lisser les variations d'un flux d'air en fonction de la fréquence des ondes. Selon le premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'amortissement 24, du type résonateur de Helmholtz, est montée en parallèle du conduit d'alimentation 12 et comporte une gorge 26 de section Sgor et de longueur Lgor débouchant d'une part dans le conduit d'alimentation 12 et, d'autre part, dans une 2909730 5 cavité 28, en l'espèce cylindrique, de volume V (représenté en pointillé), délimitée par une enveloppe 30. L'effet d'amortissement du dispositif d'amortissement 24 du type résonateur de Helmholtz peut être accentué en mettant en oeuvre des matériaux absorbant 5 d'énergie acoustique comme des matériaux alvéolés ou encore du type laine de roche. De préférence, l'enveloppe 30 est réalisée en matière plastique pour des raisons de poids et de coût. Cependant, l'enveloppe 30 peut également être réalisée en acier, aluminium ou en fonte en fonction des contraintes de température et de 10 pression. De manière préférée, la gorge 26 débouche, comme cela est représenté sur la figure 1, dans le conduit d'alimentation 12 en aval des moyens de compression 18, de préférence encore, à proximité immédiate des moyens de compression 18. Dans ce cas, les températures et pressions élevées du flux d'air 22 peuvent nécessiter 15 l'utilisation de matériaux du type acier inoxydable. Cependant, selon d'autres modes de réalisation de l'invention, cette gorge 26 peut également déboucher dans le conduit d'alimentation 12 en amont des moyens de compression 18. On peut alors utiliser des matériaux du type plastique pour réaliser l'enveloppe 30, du fait des faibles pression et température du flux d'air 20 en 20 amont des moyens de compression 18. Le coût du dispositif 10 selon l'invention se trouve réduit par un tel choix de matériau. Le dispositif 10 peut être fabriqué en éléments séparés (branches 12a, 12b du conduit d'alimentation 12, moyens de compression 18, gorge 26, enveloppe 30). Les différents éléments peuvent alors être assemblés par soudure, thermosoudure ou 25 tout autre moyen d'assemblage. Le fonctionnement du dispositif 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention découle directement de la description qui vient d'en être donnée. Le flux d'air frais 20 en amont des moyens de compression 18 est compressé par les moyens de compression 18. 30 Cependant, des variations rapides de pression et de flux d'air peuvent apparaître dans le conduit d'alimentation 12, notamment à faible régime du moteur à combustion interne suralimenté à alimenter (non représenté). Ces variations rapides de pression et de flux d'air dans le conduit 12 sont accentuées par les ondes de pression générées par les vibrations du moteur. 2909730 6 Pour atténuer voir éliminer ces onde de pression générées par le moteur, le dispositif d'amortissement 24 du type résonateur de Helmholtz est conformé pour avoir une fréquence propre sensiblement égale à la fréquence d'une de ces ondes de pression générées par le moteur. On réduit ainsi de manière importante les 5 fluctuations de pression et de flux d'air dans le conduit d'alimentation 12. En effet, un tel résonateur présente des caractéristiques d'amortissement maximales au voisinage de sa fréquence propre. On fixe les dimensions de la gorge 26 et de la cavité 28 de manière à obtenir une fréquence propre du dispositif d'amortissement 24 du type résonateur de 10 Helmholtz, c'est-à-dire la fréquence la plus amortie dans le flux d'air par le résonateur, au voisinage de la fréquence de l'onde de pression générée par le moteur, sachant que la fréquence propre d'un dispositif d'amortissement du type résonateur de Helmholtz est liée aux dimensions caractéristiques de ce résonateur par l'équation : C Sgor f 2n Lgor • V où : - c représente la vitesse du son dans l'air ; -Sgor représente la surface de la section transversale de la gorge 26, -Lgor représente la longueur de la gorge 26 du résonateur ; et 20 - V représente le volume de la cavité 28 du résonateur. Ainsi, on choisit la section et la longueur de la gorge ainsi que le volume de la cavité du résonateur de manière à obtenir une fréquence propre f du résonateur sensiblement égale à la fréquence d'excitation du moteur qui est égale à la fréquence de l'onde de pression générée par le moteur. 25 En atténuant les fronts d'onde de pression dans le conduit d'alimentation 12, on accroît la stabilité de fonctionnement des moyens de compression 18 et donc du moteur suralimenté. Il est alors possible d'augmenter la pression de suralimentation et donc les performances du moteur. On se réfère désormais à la figure 2, sur laquelle est représenté un détail d'un 30 dispositif d'alimentation en air frais 32 d'un moteur à combustion interne du type suralimenté selon un second mode de réalisation de l'invention. Ce dispositif d'alimentation en air frais 32 se distingue de celui représenté à la figure 1, en cela que le dispositif d'amortissement 24 du type résonateur de 15 2909730 7 Helmholtz est monté en série dans le conduit d'alimentation 12, en l'espèce dans la branche 12b située en aval des moyens de compression 18. Dans ce cas, la seconde branche 12b comporte : -une première portion 12b1 qui débouche d'une part à la sortie des moyens de 5 compression 18 et, d'autre part, dans la cavité 28 du dispositif d'amortissement 24 ; et - une seconde portion 12b2 qui débouche d'une part dans la cavité 28 du dispositif d'amortissement 24 et, d'autre part, à une sortie du conduit 16, en communication de fluide avec les chambres de combustion du moteur à 10 combustion interne à alimenter (non représentées) par exemple au moyen d'un répartiteur d'admission (non représenté). Ainsi, contrairement au premier mode de réalisation présenté en regard de la figure 1, le dispositif d'amortissement 24 ne comporte pas de gorge débouchant dans le conduit d'alimentation 12. 15 Le fonctionnement du dispositif selon ce second mode de réalisation ne diffère cependant pas du fonctionnement du premier mode de réalisation. La fréquence propre du dispositif d'amortissement 24 qui doit correspondre sensiblement à la fréquence propre de l'onde de pression générée par le moteur dans le flux d'air compressé 22 dépend alors de la longueur Lgor de la portion 12b1 de 20 la branche 12b du conduit d'alimentation en air 12 du moteur qui s'étend entre la sortie des moyens de compression 18 et l'orifice d'entrée 34 de la cavité 28. De même, la section utile Syor, dont est fonction la fréquence propre du dispositif d'amortissement 24 du type résonateur de Helmholtz selon l'équation El, est la section de la première portion 12b de la branche 12b1 du conduit d'alimentation en air 25 12. On se réfère désormais à la figure 3, sur laquelle est représenté un détail d'un dispositif d'alimentation en air frais 34 d'un moteur à combustion interne du type suralimenté selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Ce troisième mode de réalisation se distingue du fait qu'il comporte des 30 moyens 36 pour modifier le volume V de la cavité 28. En effet, selon ce troisième mode de réalisation de l'invention, une paroi mobile 38, insérée à l'intérieur de l'enveloppe 30, est apte à coulisser de manière étanche à l'intérieur de cette enveloppe 30. Les mouvements de cette paroi mobile 38 sont commandés par un actionneur 40 qui entraîne en rotation une vis sans fin 42 35 montée à l'intérieur d'un écrou 44 fixe par rapport à l'enveloppe 30 de la cavité 28, de 2909730 8 sorte que le mouvement de rotation généré par l'actionneur 40 est transformé par le système vis sans fin + écrou en un mouvement de translation de la paroi 38. Avec un tel système on peut faire varier la fréquence propre fo du dispositif d'amortissement 24 du type résonateur de Helmholtz de manière, notamment, à 5 l'adapter au régime moteur. En effet, le régime moteur variant, la fréquence d'excitation du moteur et donc le fréquence de l'onde perturbatrice générée par le moteur dans le flux d'air d'alimentation varie. Il est alors intéressant de faire varier la fréquence propre du dispositif d'amortissement 24 de manière à obtenir un maximum d'amortissement du dispositif d'amortissement 24 au voisinage de et de préférence à 10 la fréquence d'excitation instantanée du moteur. De préférence, l'actionneur 40 permettant le déplacement de la paroi 38 est commandé par le calculateur moteur. On se réfère désormais à la figure 4, sur laquelle est représenté un détail d'un dispositif d'alimentation en air frais 46 d'un moteur à combustion interne du type 15 suralimenté selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. Ce dispositif selon le quatrième mode de réalisation de l'invention se distingue du dispositif de la figure 3 du fait qu'un obturateur 48 par exemple du type vanne papillon, est montée dans la gorge 26 du dispositif d'amortissement de manière à pouvoir sélectivement obturer cette gorge 26. De préférence, l'obturateur 48 est 20 monté au voisinage de l'orifice 50 au travers duquel la gorge 26 débouche dans le conduit 12. A l'aide de cet obturateur 48, on peut commander la fermeture de l'orifice 50 de la gorge 26 et ainsi désactiver le dispositif d'amortissement 24, par exemple en cas de régime moteur élevé. En effet, le phénomène de pompage étant moindre en 25 cas de régime moteur élevé, il peut s'avérer que la mise en oeuvre du dispositif d'amortissement 24 ne soit pas nécessaire. Cet obturateur 48 peut également être mis en oeuvre pour faire varier la section Sgor de la gorge 26 au niveau de l'orifice 50 et pour modifier, ainsi, la fréquence propre du dispositif d'amortissement 24 du type résonateur de Helmholtz. 30 Dans ce cas, l'obturateur 48 est de préférence commandé par le calculateur moteur de manière à asservir la fréquence propre du dispositif d'amortissement du type résonateur de Helmholtz au régime du moteur de manière que la fréquence d'amortissement maximal du dispositif d'amortissement 24 corresponde à la fréquence d'excitation du moteur, c'est-à-dire à la fréquence propre de l'onde 35 perturbatrice générée par le moteur dans le flux d'air d'alimentation. 2909730 9 Bien entendu, l'invention ne se réduit pas aux seuls modes de réalisation décrits ci-avant et de nombreuses modifications sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, en particulier, on peut envisager un dispositif d'alimentation en air selon 5 le premier mode de réalisation qui comporte, de plus, un obturateur de l'orifice par lequel la gorge débouche dans le conduit d'alimentation de manière à commander la fréquence propre du résonateur de Helmholtz en fonction du régime moteur, comme cela a été expliqué en regard de la figure 4. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation en air pour moteur à combustion interne comportant au moins un conduit d'alimentation en air (12) sur lequel sont disposés des moyens de compression (18) d'un flux d'air d'alimentation dudit moteur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, disposé sur ledit conduit d'alimentation en air, un dispositif d'amortissement (24) de l'onde de pression générée par ledit moteur dans ledit flux d'air de manière à réguler la pression dudit flux d'air. 2. Dispositif d'alimentation en air selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif d'amortissement est du type résonateur de Helmholtz (24) comportant une cavité (28) apte à être mise en communication de fluide avec ledit conduit d'alimentation en air (12). 3. Dispositif d'alimentation en air selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite cavité (28) est montée en série dans ledit conduit d'alimentation en air (12). 4. Dispositif d'alimentation en air selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif d'amortissement du type résonateur de Helmholtz (24) est montée en parallèle dudit conduit d'alimentation (12), une gorge (26) débouchant d'une part dans ladite cavité (28) et d'autre part dans ledit conduit d'alimentation en air (12). 5. Dispositif d'alimentation en air selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (48) sélectivement activables de blocage de la communication de fluide entre ladite cavité (28) et ledit conduit d'alimentation en air (12). 6. Dispositif d'alimentation en air selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (48) pour modifier la section de ladite gorge (26). 7. Dispositif d'alimentation en air selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (36) pour modifier le volume de ladite cavité (28). 8. Dispositif d'alimentation en air selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens (36) pour modifier ledit volume de ladite cavité comportent des moyens (40, 42, 44) pour déplacer, de manière étanche, au moins une paroi (38) de ladite cavité (28). 2909730 11 9. Dispositif d'alimentation en air selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens (40, 42, 44) pour déplacer une paroi (38) de ladite cavité (28) comportent une vis sans fin (42) solidaire de ladite paroi (38) et entraînée en rotation par un actionneur (40), un écrou (44) fixe par rapport à ladite cavité (28) étant monté 5 sur ladite vis sans fin (42). 10. Dispositif d'alimentation en air selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'amortissement (24) sont disposés sur ledit conduit d'alimentation (12), en aval desdits moyens de compression (18). 10 11. Dispositif d'alimentation en air selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'amortissement (24) sont disposés sur ledit conduit d'alimentation (12), en amont desdits moyens de compression (18).