Brevet FR2915240A1 — publié le 20081024

SYSTEME DE SURALIMENTATION COMPRENANT DEUX TURBOCOMPRESSEURS ET UNE VANNE BI-PERMEABILITE [0001] Le domaine technique de l'invention concerne les systèmes de suralimentation pour moteur de véhicule automobile à allumage par compression, impliquant deux turbocompresseurs placés en parallèle et fonctionnant de façon séquentielle. D'une manière générale, les moteurs à allumage par compression, appelés aussi moteurs diesel , nécessitent l'emploi d'un système de suralimentation pour obtenir des performances d'un niveau satisfaisant. Le fonctionnement séquentiel de ce type de système, implique généralement trois phases distinctes: une première phase mettant en oeuvre un seul turbocompresseur, une deuxième phase mettant en oeuvre les deux turbocompresseurs et une phase transitoire permettant de passer de la première à la deuxième phase. La sélection de la phase de fonctionnement du système est fonction du régime et de la charge du moteur, et s'effectue au moyen d'un ensemble de vannes et de capteurs, les informations recueillies par les capteurs étant exploitées par un calculateur, pour piloter les différentes vannes. Plus précisément, l'objet de la présente invention se rapporte à un système de suralimentation impliquant deux turbocompresseurs en parallèle, et possédant des moyens optimisés permettant d'assurer, dans les meilleures conditions, un passage en douceur d'une phase à l'autre. 2] Dans le but de clarifier la description, le mode mono-turbo correspond à un mode n'utilisant qu'un seul turbocompresseur, le mode bi-turbo correspond à un mode utilisant les deux turbocompresseurs. 3] Les systèmes de suralimentation pour moteur à allumage par compression, et impliquant deux turbocompresseurs montés en parallèle, existent et ont déjà fait l'objet de brevet. On peut, par exemple, citer le brevet US5154057 qui se rapporte à un système de suralimentation pour moteur à combustion interne, et impliquant deux turbocompresseurs montés en parallèle. Le système décrit dans ce brevet s'applique plutôt à des moteurs à essence, et met en jeu des vannes de type ON/OFF selon un arrangement complexe, pour parvenir à gérer les différents modes de fonctionnement. [0004] Les systèmes de suralimentation selon l'invention, comprennent deux turbocompresseurs placés en parallèle et fonctionnant de façon séquentielle, et mettent en jeu des moyens simplifiés permettant d'assurer, avec maîtrise et fiabilité, une bonne gestion des différents modes de fonctionnement possibles. Ces moyens impliquent notamment une vanne, dont la simplicité de conception et de fonctionnement va engendrer une réduction des coûts du système selon l'invention. [0005] La présente invention a pour objet un système de suralimentation pour moteur à allumage par compression, comprenant un premier et un deuxième turbocompresseurs montés en parallèle et permettant un fonctionnement à trois modes, l'un impliquant uniquement le premier turbocompresseur, le deuxième impliquant les deux turbocompresseurs, et le troisième correspondant à une phase de transition entre les deux modes précédents, ledit système comprenant des moyens de sélection d'un mode de fonctionnement, en fonction de la charge et du régime du moteur. La principale caractéristique d'un système selon l'invention est qu'il comprend un régulateur de la pression de suralimentation placé sur la première turbine, et un régulateur de débit de la deuxième turbine, sous la forme d'une vanne bi-perméabilité, ladite vanne permettant d'isoler la deuxième turbine en mode mono-turbo, d'accélérer ladite deuxième turbine en mode de transition, et de l'alimenter en gaz avec un minimum de pertes de charge en mode bi-turbo. . Pour cette configuration, le premier turbocompresseur tourne en permanence, quel que soit le régime moteur, le deuxième turbocompresseur n'étant utilisé qu'au-delà d'un régime seuil. La vanne bi-perméabilité reste fermée en mode mono turbo, puis s'ouvre pour passer en mode bi-turbo. [0006] Préférentiellement, la vanne bi-perméabilité ne peut être utilisée que selon trois configurations, - La première correspondant à une fermeture, empêchant l'arrivée des gaz dans la deuxième turbine, - La deuxième correspondant à une ouverture maximale, pour permettre un débit de gaz élevé, dans le but d'alimenter la deuxième turbine avec un minimum de pertes de charge, - La troisième correspondant à une ouverture intermédiaire pour permettre le passage des gaz avec un débit modéré, dans le but d'amorcer la phase de transition. De cette manière, la vanne bi-perméabilité offre trois possibilités d'utilisation : la fermeture pour empêcher les gaz d'échappement d'alimenter la deuxième turbine, une ouverture intermédiaire pour commencer, en début de phase transitoire, à accélérer en douceur la deuxième turbine, tout en assurant un débit de gaz d'échappement suffisant dans la première turbine pour contrôler la pression de suralimentation, et une ouverture maximale pour accélérer la deuxième turbine une fois que le mode bi turbo a été déclenché. L'ouverture intermédiaire engendre un débit de gaz, qui doit être suffisant pour accélérer la deuxième turbine jusqu'à un régime permettant des transitions sans perte de couple perceptible par le conducteur, mais suffisamment faible pour assurer un débit dans la turbinel qui permette de gérer la pression de suralimentation. Avantageusement, le rapport du débit de gaz engendré par l'ouverture intermédiaire sur le 15 débit de gaz engendré par l'ouverture maximale est compris entre 5% et 10%. De façon avantageuse, la sortie des gaz d'échappement du moteur, se scinde en une première voie alimentant la première turbine et en une deuxième voie alimentant la deuxième turbine, la vanne bi-perméabilité étant placée sur ladite deuxième voie. De cette manière, la vanne bi-perméabilité ne concerne que la deuxième turbine, et n'a donc aucune 20 influence directe sur la première turbine. [0007] Selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention, le régulateur de pression de la première turbine est une vanne de régulation proportionnelle, positionnée sur la première voie de gaz d'échappement, parallèlement à ladite turbine. Ainsi, en fonction du pilotage de ladite vanne, une fraction plus ou moins importante des gaz va 25 contourner ladite turbine, permettant une régulation du débit des gaz entrant dans ladite turbine. 8] Selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention, la première turbine est à géométrie variable. Ce type de turbocompresseur permet d'accélérer les gaz à bas régime pour obtenir de bonnes performances assez tôt dans le fonctionnement du moteur, tout en acceptant les débits importants correspondant aux régimes élevés. De cette manière, la régulation de pression est réalisée par la structure même de la turbine. [0009] De façon préférentielle, les moyens de sélection comprennent des vannes et des capteurs, les informations recueillies par lesdits capteurs étant exploitées pour piloter lesdites vannes. Ce pilotage est réalisé à partir d'un calculateur qui compare les mesures acquises par les capteurs à des valeurs seuil de régime et de charge du moteur. [0010] Avantageusement, le circuit d'arrivée d'air du moteur, comprend une vanne d'isolement placée en aval du deuxième compresseur, ladite vanne servant à isoler ledit compresseur lorsque le mode de fonctionnement n'implique que le premier turbocompresseur. Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, cette vanne d'isolement peut être placée en amont du deuxième compresseur. [0011] Préférentiellement, le circuit d'arrivée d'air du moteur possède une vanne de recirculation placée sur une boucle fermée de circulation d'air comprenant le deuxième compresseur, ladite vanne se fermant pour passer du mode mono turbo au mode bi turbo. [0012] L'invention porte également sur un moteur à allumage par compression, et dont la principale caractéristique est qu'il comprend un système de suralimentation conforme à l'invention. [0013] Les systèmes de suralimentation selon l'invention présentent l'avantage d'être solides et fiables, en impliquant des vannes, dont les mécanismes de fonctionnement 20 simplifiés réduisent les contraintes mécaniques. ] On donne ci-après une description détaillée d'un mode de réalisation préféré d'un système de suralimentation selon l'invention en se référant aux figures 1 et 2. - La figure 1 est une vue schématique d'un système de suralimentation selon l'invention. - La figure 2 est un diagramme caractéristique d'une vanne bi-perméabilité montrant les trois perméabilités (Per) possibles en fonction de la position (Pos) de ladite vanne. 5] En se référant à la figure 1, un système de suralimentation 1 selon l'invention comprend un premier turbocompresseur T1,C1 et un deuxième turbocompresseur T2,C2 montés en parallèle sur la ligne d'air d'un moteur 2 à allumage par compression. Chacun desdits turbocompresseurs comprend une turbine T1,T2 couplée à un compresseur Cl,C2. Le circuit 3 d'entrée d'air frais se scinde en une première voie 4 alimentant le premier compresseur Cl et en une deuxième voie 5 alimentant le deuxième compresseur C2, lesdites voies 4,5 se rejoignant en aval desdits compresseurs C1,C2 et en amont d'un refroidisseur 6 d'air suralimenté. L'air issu dudit refroidisseur 6 pénètre alors dans le collecteur d'admission (non représenté) du moteur 2, au moyen d'un conduit 7 d'entrée. La portion de la deuxième voie 5 d'air située en aval du deuxième compresseur C2, comporte une vanne 8 d'isolement en amont de laquelle, ladite portion présente une boucle 9 de circulation d'air débouchant en amont de la scission du circuit 3 d'entrée d'air, ladite boucle 9 comprenant une vanne 10 de recirculation d'air. De cette manière, lorsque la vanne 8 d'isolement est fermée et la vanne 10 de recirculation est ouverte, l'air circule dans la boucle 9 de circulation, protégeant ainsi le deuxième compresseur du phénomène de pompage. Lorsque la vanne 8 d'isolement s'ouvre et la vanne 10 de recirculation se ferme, l'air circule dans les deux voies 4,5 pour alimenter les deux compresseurs Cl,C2. La sortie 11 des gaz d'échappement du moteur 2, se scinde en une première voie 12 destinée à alimenter la première turbine T 1, et en une deuxième voie 13 destinée à alimenter la deuxième turbine T2, ladite deuxième voie 13 étant équipée d'une vanne biperméabilité 14 pour réguler le débit des gaz d'échappement vers ladite deuxième turbine T2. 6] En se référant à la figure 2, une vanne bi-perméabilité 14 peut être utilisée selon trois configurations. La première configuration 15 correspond à la fermeture de la deuxième voie 13 d'échappement, les gaz d'échappement issus du moteur 2 se dirigeant alors tous dans la première voie 12 destinée à alimenter la première turbine T 1. La deuxième configuration 16 correspond à une ouverture maximale (0m) pour permettre le passage des gaz avec un flux maximal, dans le but d'alimenter en gaz la deuxième turbine avec un minimum de pertes de charge. La troisième configuration 17 correspond à une ouverture intermédiaire (Oi), pour permettre le passage des gaz avec un flux modéré, et ainsi amorcer la phase de transition. Il convient de préciser qu'il existe une pluralité de positions de la vanne 14 pour une ouverture donnée. [0017] En se référant à la figure 1, une vanne 18 de régulation proportionnelle est implantée sur la première voie 12 des gaz d'échappement, parallèlement à la première turbine Tl. De cette manière, le débit des gaz d'échappement arrivant dans la turbine est régulé par des moyens de commande pilotant ladite vanne 18 proportionnelle. [0018] La stratégie de fonctionnement d'un système de suralimentation 1 selon l'invention, est connue et est détaillée dans certains brevets. Afin d'éviter de décrire une nouvelle fois cette stratégie qui est complexe et longue, seules les étapes marquantes et spécifiques à l'invention sont mentionnées ci-après. Lors d'un fonctionnement à faible régime et à faible charge, l'air passe dans le premier compresseur Cl où sa pression augmente, l'air d'admission ne pouvant pas passer à travers le deuxième compresseur C2, puisque les vannes d'isolement 8 et de recirculation 10 d'air sont fermées. Avant d'être dirigé vers le collecteur d'admission du moteur 2, l'air suralimenté est refroidi par le refroidisseur 6 situé en amont dudit moteur 2. L'air pénètre ensuite dans les chambres de combustion du moteur pour participer directement au fonctionnement du moteur 2. Les gaz d'échappement en sortie desdites chambres sont acheminés dans la première voie 12 pour alimenter la première turbine Tl, puisque la vanne bi-perméabilité 14 est fermée et isole la deuxième turbine T2. La vanne de régulation 18 de la première turbine T 1 contrôle la pression de suralimentation en dérivant plus ou moins de débit d'échappement en amont de ladite turbine Tl. De cette manière, la première turbine Tl reçoit moins d'énergie pour entrainer le premier compresseur Cl, d'où une baisse éventuelle de la pression de suralimentation. Pour rappel, la pression de suralimentation est la pression de l'air à l'entrée du moteur 2. Lorsque la charge et le régime atteignent des valeurs seuil, débute alors une phase de transition, qui correspond à une phase de préparation au fonctionnement en mode bi-turbo. En effet, afin d'éviter une brusque baisse du couple lors de la transition, la deuxième turbine T2 doit être accélérée pour que son point de fonctionnement se trouve dans une zone favorable de son champ de fonctionnement optimal. Dans cette optique, la vanne biperméabilité 14, qui est contrôlée par un capteur, s'ouvre partiellement jusqu'à sa position intermédiaire (0i), pour permettre à une partie des gaz d'échappement issue du moteur 2, d'alimenter la deuxième turbine T2 pour l'accélérer, alors que, dans le même temps, la vanne de régulation 18 de la première turbine Tl régule la pression de suralimentation. La pression générée par la deuxième turbine T2 n'est cependant pas suffisante pour ouvrir la vanne d'isolement 8 du deuxième compresseur C2. Afin que le deuxième compresseur C2 n'entre pas en pompage, puisque la pression croît et le débit d'air est quasiment nul, la vanne de recirculation 10 est ouverte pour mettre en communication la sortie du deuxième compresseur C2 avec la partie d'entrée d'air 3 située en amont de la scission, via la boucle de circulation 9. Ladite boucle 9 créée une perte de charge, de sorte que le débit d'air acheminée en amont de la scission voit sa pression baisser. Lorsque cette phase de d'accélération de la deuxième turbine est terminée, et les conditions de passage en mode bi-turbo définies par le calculateur sont atteintes,, la vanne biperméabilité 14 est actionnée pour venir se placer en position d'ouverture maximale (0m), tandis que la vanne de recirculation 10 se ferme et la vanne d'isolement 8 du deuxième compresseur C2 s'ouvre. Les deux turbocompresseurs fonctionnent alors en parallèle, et la pression de suralimentation est régulée grâce à la vanne 18 de régulation de la première turbine Tl. REVENDICATIONS 1. Système de suralimentation (1) pour moteur à allumage par compression, comprenant un premier (Tl,Cl) et un deuxième (T2,C2) turbocompresseurs montés en parallèle et permettant un fonctionnement à trois modes, l'un impliquant uniquement le premier turbocompresseur (T1,C1), le deuxième impliquant les deux turbocompresseurs (T1,C1, T2,C2), et le troisième correspondant à une phase de transition entre les deux modes précédents, ledit système (1) comprenant des moyens de sélection d'un mode de fonctionnement en fonction de la charge et du régime du moteur (2), caractérisé en ce qu'il comprend un régulateur (18) de la pression de suralimentation placé sur la première turbine, et un régulateur de débit de la deuxième turbine, sous la forme d'une vanne bi-perméabilité, ladite vanne permettant d'isoler la deuxième turbine en mode mono-turbo, d'accélérer ladite deuxième turbine en mode de transition, et de l'alimenter en gaz avec un minimum de pertes de charge en mode bi-turbo. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vanne bi-perméabilité (14) ne peut être utilisée que selon trois configurations, - La première correspondant à une fermeture, empêchant l'arrivée des gaz dans la deuxième turbine (T2), - La deuxième correspondant à une ouverture maximale, pour permettre un débit de gaz élevé, dans le but d'alimenter la deuxième turbine avec un minimum de pertes de charge, - La troisième correspondant à une ouverture intermédiaire pour permettre le passage des gaz avec un flux modéré, dans le but d'amorcer la phase de transition. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la sortie (11) des gaz d'échappement du moteur (2), se scinde en une première voie (12) alimentant la première turbine (Ti) et en une deuxième voie (13) alimentant la deuxième turbine (T2), la vanne bi-perméabilité (14) étant placée sur ladite deuxième voie (13). 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le régulateur (18) de pression de la première turbine (Tl) est une vanne de régulation proportionnelle, positionnée sur la première voie (12) de gaz d'échappement, parallèlement à ladite turbine (Tl). 5. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première turbine (Tl) est à géométrie variable. 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de sélection comprennent des vannes (8,10,14,18) et des capteurs, les informations recueillies par lesdits capteurs étant exploitées pour piloter lesdites vannes (8,10,14,18) . 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (3) d'arrivée d'air du moteur (2), comprend une vanne (8) d'isolement placée en aval du deuxième compresseur (C2), ladite vanne (8) servant à isoler ledit compresseur (C2) lorsque le mode de fonctionnement n'implique que le premier turbocompresseur (T 1 ,C 1). 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (3) d'arrivée d'air du moteur (2) possède une vanne (10) de recirculation, placée sur une boucle (9) fermée de circulation d'air comprenant le deuxième compresseur (C2), ladite vanne (10) de recirculation se fermant pour passer du mode mono turbo au mode bi turbo. 9. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport du débit de gaz engendré par l'ouverture intermédiaire sur le débit de gaz engendré par l'ouverture maximale est compris entre 5% et 10%. 10. Véhicule comprenant un moteur (2) à allumage par compression, caractérisé en qu'il comprend un système de suralimentation (1) conforme à l'une des revendications précédentes.25