Brevet FR2911371A1 — publié le 20080718

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE LA LIMITE DE POMPAGE D'UN TURBOCOMPRESSEUR ALIMENTANT UN MOTEUR DE VEHICULE. La présente invention concerne un procédé de mesure de la limite de pompage d'un turbocompresseur alimentant un moteur de véhicule, en particulier de véhicule automobile. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Pour réduire la teneur en oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement des moteurs automobiles à allumage par compression, on réintroduit une partie des gaz d'échappement dans l'admission. La formation d'oxydes d'azote étant due principalement aux températures très élevées des chambres de combustion sous fortes charges, on diminue ces températures en réinjectant des gaz inertes qui vont se mélanger avec les gaz frais pour ralentir la vitesse de combustion. Les gaz d'échappements étant des gaz déjà brûlés, ce sont des gaz inertes. La suralimentation, sous toutes ses formes, est en voie de généralisation sur l'ensemble des motorisations de transport automobile pour minimiser les rejets polluants, notamment dans les régimes transitoires. La proportion des gaz re-circulés dans la chambre à charge partielle est de plus en plus importante, ce qui oblige à avoir, pour de faibles débits, de fortes pressions de suralimentation. Il en résulte un risque de plus en plus important de pompage pour les compresseurs. En allant vers les faibles débits d'air, la pente de la courbe iso vitesse de la caractéristique débit - pression d'un compresseur, d'abord négative, passe par une valeur nulle, puis devient positive tout en donnant lieu à de faibles variations de pression pouvant être acceptables lors des fonctionnements transitoires. Lorsque ces fluctuations deviennent trop importantes, elles peuvent remonter jusqu'à l'entrée du compresseur et créer des instabilités qui se traduisent par des claquements très bruyants. Ce phénomène est appelé pompage . Plus généralement, la condition de pompage peut être définie comme une instabilité d'écoulement qui se produit lorsque le compresseur n'est plus en mesure de produire une pression suffisamment haute pour vaincre la résistance en aval. Plus simplement, la pression de décharge du compresseur est inférieure à la pression du système en aval. Cela peut produire une inversion de l'écoulement à travers le compresseur. Une condition de pompage peut également être causée par une aspiration insuffisante. La courbe caractéristique d'un compresseur présente la limite de pompage sous la forme d'une ligne de pompage, appelée aussi courbe de pompage. La ligne de pompage donne, pour toute valeur de pression, le débit minimum permettant d'éviter le pompage. La ligne de pompage a l'allure d'une courbe, et ses différents points sont, le plus souvent, déterminés par voie expérimentale. On a déjà cherché, à travers de nombreux perfectionnements, à déplacer cette ligne de pompage, de façon à ouvrir de nouvelles zones de fonctionnement possibles pour les compresseurs. L'idéal est de travailler le plus près possible de la condition de pompage, mais sans qu'il y ait réellement amorçage. On travaille donc, le plus souvent, avec une marge de sécurité par rapport à la ligne de pompage. Plus la marge de sécurité est importante, moins il y a de risque de pompage. Plus la marge de sécurité est faible, meilleur est le rendement ; d'où l'importance de bien définir la limite de pompage. Toutefois, il reste aujourd'hui difficile de déterminer avec précision et simplement la limite de 35 pompage d'une machine de suralimentation. Ainsi, le document US 2004/0193355 Al décrit un procédé de détection de surpression à l'intérieur d'un turbomoteur, qui inclut une détermination de la limite de pompage et comprend les étapes suivantes : - on mesure la pression de décharge du compresseur - désignée CDP- de la turbine à gaz sur une période de 5 temps, ORr - on calcule une moyenne à court terme de CDPDCOR2, - on calcule une moyenne à court terme de CDPDCORr - on détermine une variation à court terme de la vitesse de changement de la CDP corrigée - désignée CDPROC 15 - en se basant sur la moyenne à court terme de CDPDCOR et sur la moyenne à court terme de CDPDCOR2. Selon ce procédé, on compare la variation à court terme de la vitesse de changement de la CDP corrigée CDPROC avec une valeur de seuil prédéterminée désignée 20 CDPpROC, et un signal de sortie est émis lorsque CDPROC > CDPpROC Ce procédé fournit un signal de surpression à l'intérieur du turbomoteur si CDPROC reste supérieur à CDPpROC pendant une période de temps prédéterminée. C'est 25 un procédé relativement complexe. Par ailleurs, des constructeurs de turbocompresseurs proposent des courbes de caractéristiques, qui contiennent des lignes de pompage mesurées à partir de points stabilisés sur des critères 30 d'augmentation de la température en amont de la roue de compression ou d'oscillation de pression en sortie de roue. Ces essais, effectués en régime dit non pulsatoire et stabilisé, sont peu représentatifs d'un fonctionnement de la machine de suralimentation sur un 35 moteur de véhicule automobile, lequel fonctionnement se fait, de façon opposée, en régime pulsatoire et non stabilisé. De tels essais procèdent de méthodes de mesure - on détermine la dérivée par rapport au temps désignée CDPD - de la mesure de CDP effectuée, - on effectue une correction de la CDPD en fonction de l'altitude, pour obtenir une valeur corrigée désignée 10 CDP qui restreignent artificiellement la plage de débit exploitable par le constructeur. Le but de la présente invention est de fournir un nouveau procédé de mesure de la limite de pompage d'un turbocompresseur alimentant un moteur de véhicule, en particulier de véhicule automobile, qui soit basé sur des mesures effectuées en régime pulsatoire et non stabilisé. Un autre but de la présente invention est de fournir un tel procédé de mesure, qui soit de conception simple, de mise en oeuvre rapide, et permette l'obtention de résultats très précis. Un autre but de la présente invention est de fournir un tel procédé, qui permette de calibrer ensuite les points de fonctionnement de la machine de suralimentation au plus près de la limite de pompage, sans risque pour le client. Enfin, c'est également un but de la présente invention de fournir un dispositif de mesure permettant la mise en oeuvre simple, sûre, fiable, précise et économique du procédé de mesure de l'invention. Pour parvenir à ces buts, la présente invention propose un nouveau procédé de mesure de la limite de pompage d'un turbocompresseur alimentant un moteur thermique de véhicule, en particulier de véhicule automobile, le turbocompresseur comprenant une turbine placée sur le circuit d'échappement du moteur et un compresseur de suralimentation, lequel procédé nouveau comporte les étapes suivantes, prises en combinaison : - a) on fixe une enthalpie souhaitée, à savoir une valeur de régime moteur et/ou de débit de carburant, - b) on mesure, de manière continue, les pressions d'air à l'entrée et à la sortie du compresseur, ainsi que le débit d'entrée d'air dans le compresseur, en faisant diminuer, de manière progressive, le débit d'air dans le compresseur jusqu'au moment au moins où le point de fonctionnement du compresseur devient instable, les mesures obtenues audit point de fonctionnement instable permettant de déterminer un point de la courbe de pompage, défini par ses coordonnées qui sont, d'une part, le débit d'air dans le compresseur au point de fonctionnement instable et, d'autre part, le rapport des pressions - ou rapport de compression - au point de fonctionnement instable, - c) on répète la mesure b) pour d'autres valeurs du régime moteur et/ou du débit de carburant, de façon à déterminer d'autres points de la ligne de pompage, et obtenir ainsi la limite de pompage, réelle et précise, du turbocompresseur. Selon le mode préféré de réalisation de l'invention, la mesure, de manière continue, des pressions d'air à l'entrée et à la sortie du compresseur, ainsi que du débit d'entrée d'air dans le compresseur, est réalisée selon les étapes suivantes : - on ouvre une vanne de régulation du débit, située à la sortie du compresseur, de manière à obtenir un faible taux de compression, - on ferme progressivement la vanne de régulation de façon à limiter le débit d'air dans le compresseur, - on arrête la fermeture de la vanne de régulation lorsque le point de fonctionnement du compresseur devient instable, De manière préférentielle, on continue l'étape b) de mesure de débit d'air, ainsi que des pressions d'air à l'entrée et en sortie du compresseur, pendant une courte période de temps après le moment d'instabilité du compresseur. Cette courte période de temps est, de préférence, une période de temps comprise entre 5 et 7 secondes. L'étape de mesure b) étant terminée, on revient au point de débit d'air maximal en ouvrant de nouveau la vanne de régulation (V). L'invention propose également un dispositif de mesure de la limite de pompage d'un turbocompresseur suralimentant un moteur thermique de véhicule, en particulier de véhicule automobile, pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus dans ses grandes lignes. Ce dispositif comprend : - un débitmètre d'air, placé à l'entrée du 5 compresseur, pour la mesure du débit d'entrée d'air dans le compresseur, et - des moyens de mesure de la pression ambiante, de la pression à l'entrée du compresseur et de la pression à la sortie du compresseur. 10 Le dispositif comprend aussi, de préférence, des moyens de mesure de la température ambiante, de la température à l'entrée du compresseur et de la température à la sortie du compresseur. Une vanne de régulation à la sortie du compresseur 15 permet de faire varier progressivement le taux de compression du compresseur. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, non limitatif de 20 l'objet et de la portée de la présente demande de brevet, accompagnée de dessins dans lesquels - la figure 1 représente, de manière schématique, le principe du dispositif expérimental pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, 25 - la figure 2 est un graphique désigné champ compresseur d'un turbocompresseur, dans lequel est tracée la courbe de limite de pompage d'un compresseur, - la figure 3 est un graphique représentant la variation du débit d'air à l'entrée du compresseur, en 30 fonction du temps, pour une valeur donnée du régime moteur, - la figure 4 est un graphique représentant la variation de la pression d'air à l'entrée du compresseur, en fonction du temps, pour une valeur donnée du régime 35 moteur, et - la figure 5 est un graphique représentant la variation de la pression d'air à la sortie du compresseur, en fonction du temps, pour une valeur donnée du régime moteur. En référence au dessin de la figure 1, un mode de réalisation du dispositif expérimental, avec lequel est mis en oeuvre le procédé de mesure selon la présente invention, est décrit suralimenté par un générale Tc. La masse entrant par l'admission fait de la compression L'air étant envoyé sous en détail. Un moteur M est turbocompresseur, de référence volumique de l'air d'admission MADM du moteur M est augmentée du de l'air dans le compresseur 2. pression par le compresseur 2 du turbocompresseur vers les cylindres du moteur, il voit sa température monter ; pour cela, il est prévu un refroidisseur d'air de suralimentation 3, qui refroidit le comburant avant qu'il n'arrive dans la chambre de combustion. La turbine 4, entraînée par les gaz d'échappement émis par l'échappement MECH du moteur M et transportés dans le circuit d'échappement 5 , est reliée par un axe 6 à une roue à ailettes qui constitue le compresseur 2. La turbine 4 entraîne donc directement le compresseur 2 qui fournit de l'air sous pression au moteur M. Lorsque le système est en fonctionnement stabilisé et autonome, la puissance délivrée par la turbine 4 équilibre la puissance absorbée par le compresseur 2. Pl et température référence CE P2 et température référence Cs Tl sont respectivement la pression et la en entrée illustrée par le point sur la figure 1 - du compresseur 2. T2 sont respectivement la pression et en sortie - illustrée par le point de sur la figure 1 - du compresseur 2. de la Po et To sont respectivement la pression ambiante et la température ambiante, en 8. On désigne QEA le débit d'air entrant dans le compresseur. Il est mesuré par un débitmètre d'air référencé 7. Le dispositif comprend des moyens de mesure (capteurs de pression) de la pression ambiante Po, de la pression Pl à l'entrée du compresseur 2 et de la pression p, à la sortie du compresseur 2. Il comprend également des moyens de mesure de la température ambiante Io, de la température Tl à l'entrée (au point de mesure de Pl) du compresseur 2 et de la température T2 à la sortie (au point de mesure de la pression P2) du compresseur 2, et une vanne de régulation, de référence V, permettant de faire varier le taux de compression P2/Pl, et un filtre 1 à l'admission du moteur M. Selon l'art antérieur, on dimensionne la taille d'un compresseur grâce à des courbes données par les constructeurs de turbocompresseurs, qui regroupent divers paramètres, en particulier le rapport de compression du compresseur P2/Pl en fonction du débit d'air QEA entrant dans le compresseur 2. Dans le fonctionnement d'un compresseur, il y a un phénomène qu'il est absolument impératif d'éviter : le pompage. Le pompage apparaît quand le débit d'air à travers le compresseur diminue au point de provoquer une inversion momentanée du flux. Le pompage se manifeste par des vibrations et des pulsations et, si l'on n'y remédie pas, il peut avoir des conséquences dommageables sur le compresseur : usure prématurée, destruction partielle ou totale du compresseur. Quand un pompage est détecté, le compresseur reste en situation de pompage pendant un certain laps de temps. Ce phénomène de pompage ou condition de pompage est représenté par la ligne de pompage, mentionnée précédemment, sur un graphique Pression/Débit, connu en soi et très largement utilisé. Pour ne pas prendre de risques, la plupart des utilisateurs travaillent en dehors de la ligne de pompage du compresseur. Cette ligne de pompage, désignée CP sur le dessin de la figure 2, donne pour toute valeur de rapport de compression P2/Pl, le débit minimum de gaz traversant le compresseur permettant d'éviter le pompage. Au dessus de la ligne de pompage CP, le compresseur est en zone de pompage, désignée zone P. En dessous de la ligne de pompage CP, le compresseur est en fonctionnement normal ou de sécurité, illustré par la zone S. Pour éviter des gaspillages d'énergie dans les systèmes de prévention du pompage, l'idéal serait de travailler le plus près possible de la condition de pompage, mais sans qu'il y ait réellement amorçage. C'est la raison pour laquelle les industriels travaillent avec une marge de sécurité, souvent de l'ordre de 10%. Pour chercher à faire mieux, il faut impérativement déterminer avec plus de précision la ligne de pompage CP, trop souvent imprécise parce que mesurée sans tenir compte des conditions réelles de fonctionnement du turbocompresseur. A l'aide du dispositif expérimental décrit ci-dessus et illustré sur le dessin de la figure 1, le procédé selon la présente invention comporte les étapes suivantes . - on impose un niveau d'enthalpie à l'entrée de la turbine, c'est-à-dire que l'on fixe un niveau de régime moteur M et/ou un débit de carburant déterminé, étant entendu que plusieurs niveaux d'enthalpie seront testés en augmentant progressivement de façon à obtenir une caractérisation suffisante, on ouvre la vanne de régulation V du débit, située à la sortie du compresseur, de manière à obtenir un faible taux de compression, on mesure, de manière continue, les pressions d'air à l'entrée Pl et à la sortie P2 du compresseur 2, ainsi que le débit d'entrée d'air QEA dans le compresseur, en faisant diminuer de manière progressive le débit d'air dans le compresseur 2 jusqu'au moment au moins où le point de fonctionnement du compresseur 2 devient instable, - on continue, de préférence, à partir de ce moment d'instabilité, la mesure pendant quelques secondes, et on revient ensuite au point de débit d'air maximal en ouvrant de nouveau la vanne de régulation V. Les mesures obtenues au moment où le point de fonctionnement devient instable, à savoir les mesures du débit d'air d'entrée QEA et des pressions d'air à l'entrée Pl et à la sortie P2 de compresseur 2 à ce moment d'instabilité, permettent de déterminer un point de la ligne de pompage CP, représentative de la limite de pompage. Les mesures obtenues, pour un point d'enthalpie donné, sont représentées par les graphes des figures 3 à 5. La figure 3 représente la variation du débit d'air QEA à l'entrée du compresseur, en fonction du temps. La figure 4 représente la variation de la pression d'air Pl à l'entrée du compresseur, en fonction du temps, et la figure 5 représente la variation de la pression d'air P2 à la sortie du compresseur, en fonction du temps. Le début du pompage peut être détecté à partir d'une élévation de la température ou de variations anormales sur les mesures de pression et de débit. Lorsqu'un pompage est détecté, même immédiatement, le compresseur reste en situation de pompage pendant un certain laps de temps, illustré par le segment AB sur l'axe des temps des figures 3 à 5, les points d'abscisse A illustrant le début du fonctionnement instable. Ceci peut s'expliquer par le temps de réponse relativement long de la vanne de régulation. Le procédé décrit ci-dessous est répété pour des niveaux d'enthalpie différents. Pour cela, on répète le procédé décrit ci-dessus pour des niveaux différents de régime moteur et/ou des débits différents de carburant. En répétant ainsi la mesure, on obtient plusieurs points, qui permettent d'établir une courbe, dite ligne de pompage CP (figure 2) sur le graphe représentatif des rapports de pression P2/Pl en fonction du débit d'air d'entrée QEA. Ce graphique, complété par le rendement et les vitesses de rotation, est appelé le champ compresseur du turbocompresseur. L'invention décrite ci-dessus présente de nombreux avantages, parmi lesquels : - elle apporte un procédé de mise en oeuvre plus rapide que les procédés de l'art antérieur, - elle apporte un procédé qui permet d'obtenir des résultats plus proches des conditions réelles de fonctionnement du turbocompresseur que les résultats obtenus par les procédés utilisés actuellement par les constructeurs de turbocompresseurs, - elle apporte un procédé simple, précis, de détermination de la limite de pompage, qui permet de calibrer les points de fonctionnement du turbocompresseur au plus près de cette limite, sans risque pour le client. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté ci-dessus à titre d'exemples. D'autres modes de réalisation peuvent être conçus par l'homme de métier sans sortir du cadre et de la portée de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la limite de pompage d'un turbocompresseur alimentant un moteur thermique de véhicule, en particulier de véhicule automobile, le turbocompresseur (Tc) comprenant une turbine (4) placée sur le circuit d'échappement (5) du moteur (M) et un compresseur (2) de suralimentation, caractérisé par les étapes suivantes, prises en combinaison : - a) on fixe une valeur de régime moteur et/ou de débit de carburant, - b) on mesure, de manière continue, les pressions d'air à l'entrée (Pl) et à la sortie (P2) du compresseur (2), ainsi que le débit d'entrée d'air (QEA) dans le compresseur (2), en faisant diminuer de manière progressive le débit d'air dans le compresseur jusqu'au moment au moins où le point de fonctionnement du compresseur (2) devient instable, les mesures obtenues permettant de déterminer un point de la courbe de pompage (CP), défini par ses coordonnées qui sont, d'une part, le débit d'entrée d'air (QEA) audit point de fonctionnement instable et, d'autre part, le rapport desdites pressions d'air à l'entrée (Pl) et à la sortie (P2) de compresseur (2) - ou rapport de compression (P2/Pl) - audit point de fonctionnement instable, - c) on répète la mesure b) pour d'autres valeurs du régime moteur et/ou du débit de carburant, de façon à déterminer d'autres points de la courbe de pompage (CP), et déterminer ainsi la limite de pompage du turbocompresseur (Tc). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite mesure, de manière continue, des pressions d'air à l'entrée (Pl) et à la sortie (P2) du compresseur (2), ainsi que du débit d'entrée d'air (QEA) dans le compresseur (2), est réalisée selon les étapes suivantes .- on ouvre une vanne de régulation (V) du débit, située à la sortie du compresseur (2), de manière à obtenir un faible taux de compression, - on ferme progressivement la vanne de régulation (V) de façon à limiter le débit d'air dans le compresseur (2), - on arrête la fermeture de la vanne de régulation (V) lorsque le point de fonctionnement du compresseur devient instable, 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on continue les mesures de débit d'air (QEA), des pressions d'air à l'entrée (Pl) et en sortie (P2) du compresseur (2), pendant une courte période de temps après ledit moment d'instabilité du compresseur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite courte période de temps est de l'ordre de 5 à 7 secondes. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de mesure b) étant terminée, on revient au point de débit d'air maximal en ouvrant de nouveau la vanne de régulation (V). 6. Dispositif de mesure de la limite de pompage d'un turbocompresseur suralimentant un moteur thermique de véhicule, en particulier de véhicule automobile, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend : un débitmètre d'air (7), placé à l'entrée du compresseur (2), pour la mesure du débit d'entrée d'air (QEA) dans le compresseur, et - des moyens de mesure de la pression ambiante (Po), de la pression à l'entrée (Pl) du compresseur (2) et de la pression à la sortie (P2) du compresseur (2). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de la température ambiante (Te), de la température à l'entrée(Tl) du compresseur (2) et de la température à la sortie (T2) du compresseur (2). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'une vanne de 5 régulation (V) à la sortie du compresseur (2) permet de faire varier progressivement le taux de compression (P2/Pl) du compresseur (2).