Brevet FR2920478A3 — publié le 20090306

FR 2920478 A3 20090306 FR 0706222 A 20070905 1 DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale la suralimentation des moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement un procédé de pilotage d'un moteur à combustion interne comportant une ligne d'admission d'air frais pourvue d'un compresseur dont on connaît une plage de fonctionnement normal vis-à-vis d'au moins une caractéristique déterminée. Elle concerne également un moteur à combustion interne comportant, d'une part, une ligne d'admission d'air frais pourvue, dans le sens de circulation de l'air frais, d'un réchauffeur et d'un compresseur, et, d'autre part, des moyens de pilotage du réchauffeur. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les moteurs à combustion interne suralimentés utilisent l'énergie cinétique de leurs gaz brûlés pour faire tourner une turbine. Cette turbine entraîne à son tour un compresseur qui comprime les gaz frais admis dans le moteur. Cette compression permet alors d'injecter une plus grande quantité d'air frais et de carburant dans le moteur, de manière à accroître le couple et la puissance développés par ce dernier. Lorsque le moteur fonctionne à haut régime, la vitesse des gaz dans le moteur génère une aspiration d'air frais dans la ligne d'admission. Le compresseur peut donc fonctionner correctement, en comprimant de manière efficace l'air frais. En revanche, lorsque le moteur fonctionne à bas régime, le débit d'air frais circulant dans la ligne d'admission est moins important. Dans ces conditions, pour un taux de compression identique de l'air frais entre l'amont et l'aval du compresseur, il peut apparaître des phénomènes de pompage du compresseur. Ces phénomènes se traduisent par des mouvements de reflux d'air frais momentanés et répétés vers l'amont du compresseur, ce qui provoque une forte réduction des performances du moteur et génère des vibrations pouvant nuire à l'intégrité du compresseur. Afin d'éviter d'être confronté à un tel problème de pompage, il est connu, à bas régime, de réduire le rapport de compression de l'air frais. Pour cela, on diminue le débit de gaz brûlés passant par la turbine, par exemple à l'aide d'une conduite de dérivation des gaz brûlés branchée en parallèle de la turbine, ce qui a pour effet d'abaisser la vitesse de rotation du compresseur. Cependant, cette réduction du taux de compression de l'air frais s'accompagne nécessairement d'une baisse du couple développé par le moteur à combustion interne. 2 OBJET DE L'INVENTION La présente invention propose donc un nouveau procédé de pilotage du moteur qui permet d'éviter tout risque de pompage du compresseur, sans toutefois réduire les performances du moteur. Plus particulièrement, on propose selon l'invention un procédé de pilotage tel que défini dans l'introduction, dans lequel on acquiert à un instant donné une valeur de chaque caractéristique déterminée et on pilote la température d'air frais en entrée du compresseur pour que chaque valeur acquise reste dans ladite plage de fonctionnement normal. Ce procédé de pilotage permet, en cas de risque de pompage du compresseur, de faire varier la température de l'air frais avant qu'il n'entre dans le compresseur. La demanderesse a en effet remarqué que, pour un rapport de compression de l'air frais identique, une augmentation de température de l'air frais permet d'éviter au compresseur de pomper . Ainsi, grâce à l'invention, aucune réduction du taux de compression de l'air frais à bas régime n'est nécessaire, de sorte que les performances du moteur à bas régime sont accrues. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé de pilotage conforme à l'invention sont les suivantes : - le pilotage de la température d'air frais est réalisé en réchauffant l'air frais au moyen d'un réchauffeur positionné dans la ligne d'admission, en amont du compresseur ; - le réchauffeur est piloté selon une consigne de réchauffement continue ; - le réchauffeur est piloté selon une consigne de réchauffement discontinue en escalier ; - ladite caractéristique déterminée comporte le débit d'air frais circulant dans la ligne d'admission ; - la valeur du débit d'air frais est mesurée dans la ligne d'admission, entre le réchauffeur et le compresseur, et/ou est calculée en fonction de la pression et de la température de l'air frais en un point donné de la ligne d'admission ; - l'air frais présentant une pression d'entrée en amont du compresseur et une pression de sortie en sortie du compresseur, ladite caractéristique déterminée est fonction de la pression d'entrée et de la pression de sortie ; - la valeur de la pression d'entrée est mesurée dans la ligne d'admission, directement en entrée du compresseur, et/ou est calculée en fonction de la pression atmosphérique ; et 3 - la valeur de la pression de sortie est mesurée dans la ligne d'admission, directement en aval du compresseur, et/ou calculée en fonction d'une pression de suralimentation mesurée dans la ligne d'admission, en aval du compresseur et à dlistance de ce dernier. L'invention concerne également un moteur à combustion interne tel que défini en introduction, dans lequel lesdits moyens de pilotage comportent des moyens d'acquisition de la valeur d'au moins une caractéristique déterminée relative au compresseur, mémorisent une plage de fonctionnement normal du compresseur, et sont pourvus d'un logiciel d'exécution qui est apte à piloter le réchauffeur en fonction de chaque valeur acquise et de la plage de fonctionnement normal mémorisée. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne selon l'invention ; et - la figure 2 est un graphique représentatif du champ de fonctionnement du compresseur du moteur à combustion interne de la figure 1. Dans la description, les termes amont et aval seront utilisés suivant le sens de l'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement de l'air frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés par un pot catalytique 34. Moteur à combustion interne Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un moteur à combustion interne 1, qui comprend un bloc-moteur 10 pourvu ici de quatre cylindres 11. En amont des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'admission 20 pourvue d'un filtre à air 21 qui filtre l'air frais prélevé dans l'atmosphère. Cette ligne d'admission 20 comporte en outre un compresseur 22 qui comprime l'air frais filtré par le filtre à air 21, ainsi qu'un refroidisseur d'air principal 23 qui refroidit cet air frais comprimé. La ligne d'admission 20 débouche dans un répartiteur d'air 24 qui amène l'air frais dans chacun des cylindres 11 du bloc-moteur 10. Le compresseur 22 peut indifféremment être de type axial ou centrifuge. Il peut être entraîné en rotation par un moteur électrique, ou par le vilebrequin du moteur, ou encore, comme c'est ici le cas, par une turbine. 4 La ligne d'admission 20 comporte en outre un réchauffeur 25 situé en amont du compresseur 22. Ici, ce réchauffeur 25 est disposé en amont du filtre à air 21 mais il pourrait également être situé entre le filtre à air 21 et le compresseur 22. Ce réchauffeur 25 permet de réchauffer l'air frais avant que celui-ci ne s'engouffre dans le compresseur 22. Préférentiellement, ce réchauffeur est constitué par une résistance électrique qui présente une puissance nominale maximale importante, de l'ordre de 2500 Watts. En sortie des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte un collecteur d'échappement 31 de gaz brûlés qui est raccordé à une ligne d'échappement 30 s'étendant jusqu'à des moyens d'oxydation des gaz brûlés, formés ici par un catalyseur d'oxydation auxiliaire 33 et par le pot catalytique 34 précité. La ligne d'échappement 30 comporte par ailleurs, entre le collecteur d'échappement 31 et les moyens d'oxydation, une turbine 32 qui actionne le compresseur 22. Le moteur à combustion interne 1 comporte en outre une ligne de recirculation 40 des gaz brûlés, appelée ligne EGR, qui prend naissance dans la ligne d'échappement 30 et qui débouche dans la ligne d'admission 20. Elle accueille un échangeur thermique EGR 42 prévu pour refroidir les gaz EGR, ainsi qu'une vanne EGR 41 prévue pour réguler le débit de gaz EGR injecté dans la ligne d'admission 20. Cette ligne de recirculation permet de réduire le volume d'émissions polluantes du moteur à combustion interne 1. Le moteur à combustion interne 1 comporte enfin des moyens de pilotage 100 électroniques de ses différents organes. Ces moyens de pilotage 100 comprennent de manière classique une mémoire vive et une mémoire de masse permanente. La mémoire vive est en particulier prévue pour stocker, en temps réel, des valeurs caractéristiques déterminées du point de fonctionnement du compresseur 22. A cet effet:, les moyens de pilotage 100 sont raccordés à des moyens d'acquisition de ces valeurs caractéristiques déterminées. Ces moyens d'acquisition comportent deux capteurs de pression 27, 28, dont un premier capteur situé à l'entrée du compresseur 22 et un second capteur situé à la sortie du compresseur 22. Ces deux capteurs de pression 27, 28 permettent de mesurer respectivement la pression d'entrée P1 de l'air frais avant son entrée dans le compresseur 22 et la pression de sortie P2 de l'air frais après sa sortie du compresseur 22, afin d'en déduire un taux de compression Pr de l'air frais lors de sa traversée du compresseur 22, selon la formule : Pr=P2/P1. Ces moyens d'acquisition comportent en outre un débitmètre 26 situé dans la ligne d'admission 20, entre le réchauffeur 25 et le compresseur 22. Il est 5 ici disposé plus précisément en aval du filtre à air 21 et permet de mesurer le débit volumique Q d'air frais traversant le compresseur 22. La mémoire de masse stocke quant à elle une cartographie de pilotage du réchauffeur 25 et un logiciel d'exécution qui est apte à piloter en puissance le réchauffeur 25 selon une consigne de réchauffement élaborée en fonction de cette cartographie de pilotage . La cartographie de pilotage mémorise une plage de fonctionnement normal PF1 du compresseur 22 vis-à-vis d'au moins une caractéristique relative au compresseur 22, Cette plage de fonctionnement normal PF1 est ici plus particulièrement mémorisée vis-à-vis de deux caractéristiques relatives au compresseur 22, à savoir deux caractéristiques thermodynamiques de l'air frais lors de sa traversée du compresseur 22. Ces deux caractéristiques sont ici le débit Q d'air frais traversant le compresseur 22 et le taux de compression Pr de l'air frais entre l'entrée et la sortie du compresseur 22. La plage de fonctionnement normal PF1 du compresseur 22 est illustrée sur le graphique de la figure 2. Les valeurs fournies sur ce graphique sont bien sûr caractéristiques d'un seul type de compresseurs. Cette figure 2 représente plus précisément les différents taux de compression Pr que peut présenter l'air frais lors de sa traversée du compresseur 22 en fonction du débit réduit Qr d'air frais. Ce débit réduit Qr est calculé en fonction du débit Q d'air frais selon la formule suivante : Qr = Q . (T1/T0)112 / (P1/PO), avec TO la température de l'air frais dans l'atmosphère, Ti la température de l'air frais lors de son entrée dans le compresseur 22 et PO la pression atmosphérique. Chaque point de fonctionnement du compresseur 22 peut donc être situé sur ce graphique. Comme le montre cette figure, la plage de fonctionnement normal PF1 du compresseur 22 est bornée par deux courbes Cl, C2. La première courbe Cl, qui nous intéresse, représente la frontière au-delà de laquelle le compresseur 22 risque d'être confronté au phénomène de pompage (plage de fonctionnement anormal PF2). 6 La cartographie mémorisée dans la mémoire de masse correspond ici à une discrétisation de cette courbe Cl. Plus précisément, la cartographie mémorise des intervalles de débits Q et associe à chacun de ces intervalles un taux de compression limite PI de l'air frais au-delà duquel le compresseur 22 risque de pomper . Pour mémoire, la seconde courbe C2 représente la vitesse de rotation maximale du compresseur au-delà de laquelle les extrémités de ses aubes dépassent la vitesse du son (plage de fonctionnement anormal PF3). Les courbes A représentent les points de fonctionnement du compresseur correspondant à une vitesse de rotation donnée du compresseur (iso-vitesses). Les courbes N représentent les points de fonctionnement du compresseur correspondant à un rendement donné du compresseur (iso-rendements). Procédé de pilotage du moteur Lorsque le moteur à combustion interne 1 fonctionne, l'air frais prélevé dans l'atmosphère par la ligne d'admission 20 traverse le réchauffeur 25, est filtré par le filtre à air 21; comprimé par le compresseur 22, refroidi par le refroidisseur d'air 23, puis brûlé clans les cylindres 11. A sa sortie des cylindres 11, une partie des gaz brûlés, les gaz EGR, est prélevée par la ligne EGR 40, refroidie par l'échangeur thermique EGR 42, puis réinjectée dans la ligne d'admission 20. L'autre partie des gaz brûlés est détendue dans la turbine 32, puis traitée et filtrée par le catalyseur d'oxydation auxiliaire 33 et par le pot catalytique 34 avant d'être rejetée dans l'atmosphère. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse du procédé de pilotage du moteur à combustion interne 1 selon l'invention, au cours d'une première étape, on acquiert une valeur de chaque caractéristique déterminée relative au compresseur 22, et, au cours d'une deuxième étape, on pilote la température Ti d'air frais en entrée du compresseur 22 pour que chaque valeur acquise reste dans ladite plage de fonctionnement normal PF1. Ici, le pilotage de la température Ti d'air frais est réalisé en réchauffant l'air frais au moyen du réchauffeur 25. La première étape est préférentiellement réalisée en continu, mais elle pourrait également être réalisée à intervalles réguliers. Lors de cette première étape, les moyens de pilotage 100 acquièrent les deux caractéristiques thermodynamiques précitées, à savoir le débit Q d'air frais circulant dans la ligne d'admission 20 et le taux de compression Pr de l'air frais lors de sa traversée du compresseur 22. 7 Le débit Q d'air frais est directement relevé par le débitmètre 26. Ce débit Q relevé est un débit volumique. Bien sûr, le débit relevé pourrait également être un débit massique. En variante, le débit Q peut être non pas mesuré, mais plutôt calculé en fonction de la pression P et de la température T de l'air frais en un point donné de la ligne d'admission 20. Dans cette variante, les moyens d'acquisition comportent un capteur de température ad hoc disposé dans la ligne d'admission. Ce capteur de température peut par exemple être couplé au premier capteur de pression 27, de manière à ce que les moyens de pilotage puissent mesurer la température et la pression de l'air frais en entrée du compresseur. Le débit Q peut alors être calculé selon la formule suivante : Q = f (P , T) = k.R.C.N.P/T, avec k un coefficient multiplicateur, R le remplissage en air du moteur, N le régime du moteur et C la cylindrée du moteur. Le moteur à combustion interne est alors dans cette variante dépourvu de débitmètre et, le réchauffeur est placé directement à l'entrée du compresseur, pour éviter toute déperdition de chaleur entre la sortie du réchauffeur et l'entrée du compresseur. Le taux de compression Pr de l'air frais est quant à lui préférentiellement calculé en fonction desdites pression d'entrée P1 et pression de sortie P2 relevées par les capteurs de pression 27, 28. En variante, chacune des pressions d'entrée P1 et de sortie P2 peut être, non pas mesurée par les capteurs de pression, mais plutôt calculée par les moyens de pilotage 100. Selon cette variante, on calcule la pression d'entrée P1 en fonction, d'une part, de la pression atmosphérique PO de l'air frais à l'extérieur du moteur, et, d'autre part, des pertes de charges engendrées par la ligne d'admission 20 entre l'entrée de la ligne d'admission 20 et l'entrée du compresseur 22. Également selon cette variante, on calcule la pression de sortie P2 en fonction, d'une part, de la pression de suralimentation P3 de l'air frais dans le répartiteur d'air 24, et, d'autre part, des pertes de charges engendrées par la ligne d'admission 20 entre la sortie du compresseur 22 et le répartiteur d'air 24. Les moyens d'acquisition sont alors dépourvus des premier et second capteurs de pression. A ce stade, les moyens de pilotage 100 mémorisent en temps réel le débit Q et le taux de compression Pr de l'air frais lors de sa traversée du compresseur 22. 8 Au cours de la seconde étape, les moyens de pilotage 100 déterminent si le compresseur 22 fonctionne dans sa plage de fonctionnement normal PF1, ou en dehors de celle-ci au risque d'être confronté à un phénomène de pompage. Afin de déterminer s'il existe un risque de pompage, les moyens de pilotage 100 déterminent, parmi les intervalles de débits mémorisés dans la cartographie, celui auquel appartient la valeur acquise du débit Q. Puis, ils en déduisent la valeur du taux de compression limite PI associé à cet intervalle de débits. Enfin, les moyens de pilotage 100 comparent la valeur de ce taux de compression limite PI avec celle du taux de compression Pr préalablement calculée. Si le taux de compression Pr calculé est inférieur au taux de compression limite PI, le réchauffeur 25 est piloté dans un état inactif. Il n'y a en effet aucun risque de pompage et il n'est pas utile de réchauffer l'air frais. En revanche, si le taux de compression calculé est supérieur au taux de compression limite PI, le réchauffeur 25 est piloté dans un état actif selon la consigne de réchauffement. Il y a en effet risque de pompage. Ici, cette consigne de réchauffement est discontinue et binaire. Plus précisément, dès qu'un risque de pompage est détecté, le réchauffeur 25 est mis en marche pour développer sa puissance maximale. Puis, dès que le taux de compression Pr calculé redevient inférieur au taux de compression limite PI pendant une durée prédéterminée, le réchauffeur 25 retourne en état inactif. L'influence du réchauffement de l'air frais sur le compresseur 22 est alors la suivante. Lorsque la température Ti de l'air frais à l'entrée du compresseur 22 s'accroît, le débit réduit Qr augmente (voir la formule ci-dessus). L'intervalle de débits dans lequel se trouve le débit Q relevé par le débitmètre 26 change donc. Par conséquent, le taux de compression limite PI est également modifié et augmente. Si le réchauffement de l'air frais est suffisant, ce taux de compression limite PI devient supérieur au taux de compression Pr calculé, ce qui signifie que tout risque de pompage du compresseur 22 est écarté. En d'autres termes, le point de fonctionnement du compresseur 22 qui se trouvait initialement dans la plage de fonctionnement anormal PF2 se déplace horizontalement jusque dans la plage de fonctionnement normal PF1. En variante, la consigne de réchauffement peut être discontinue en escalier. Selon cette variante, lorsque le taux de compression Pr calculé est 9 supérieur au taux de compression limite PI, les moyens de pilotage 100 déterminent l'écart séparant ces deux taux de compression Pr, PI. Puis, en fonction de cet écart, les moyens de pilotage 100 pilotent le réchauffeur 25 de manière qu'il développe l'une ou l'autre de diverses puissances prédéterminées. Par exemple, cette puissance développée peut être égale à la moitié de la puissance nominale maximale du réchauffeur 25 si l'écart est faible (inférieur à un seuil), et égale à la puissance nominale maximale si l'écart est important (supérieur à ce seuil). En variante encore, la consigne de réchauffement peut être continue. Selon cette variante, lorsque le taux de compression Pr calculé est supérieur au taux de compression limite PI, les moyens de pilotage 100 déterminent l'écart séparant ces deux taux de compression Pr, PI. Puis, les moyens de pilotage 100 pilotent la puissance développée par le réchauffeur 25 continûment en fonction de cet écart, par exemple selon une fonction affine. Cette dernière variante permet ainsi d'optimiser les déperditions d'énergie en ajustant au mieux la puissance développée par le réchauffeur 25 en fonction de la chaleur à dissiper dans la ligne d'admission 20 pour éviter tout phénomène de pompage du compresseur 22. Selon une autre variante, la cartographie peut mémoriser un paramètre supplémentaire, à savoir le temps de latence du réchauffeur 25. Ce paramètre permet alors de tenir compte de l'inertie thermique du réchauffeur 25 afin d'ajuster au mieux la puissance développée par le réchauffeur 25 en fonction de la température d'air frais désirée dès la mise en marche du réchauffeur 25. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Procédé de pilotage d'un moteur à combustion interne (1) comportant une ligne d'admission (20) d'air frais pourvue d'un compresseur (22) dont on connaît une plage de fonctionnement normal (PF1) vis-à-vis d'au moins une caractéristique déterminée (Q, Pr), caractérisé en ce qu'on acquiert à un instant donné une valeur de chaque caractéristique déterminée (Q, Pr) et on pilote la température (T1) d'air frais en entrée du compresseur (22) pour que chaque valeur acquise reste dans ladite plage de fonctionnement normal (PF1). 2. Procédé de pilotage selon la revendication précédente, dans lequel le pilotage de la température d'air frais est réalisé en réchauffant l'air frais au moyen d'un réchauffeur (25) positionné dans la ligne d'admission (20), en amont du compresseur (22). 3. Procédé de pilotage selon la revendication précédente, dans lequel le réchauffeur (25) est piloté selon une consigne de réchauffement continue. 4. Procédé de pilotage selon la revendication 2, dans lequel le réchauffeur (25) est piloté selon une consigne de réchauffement discontinue en escalier. 5. Procédé de pilotage selon l'une des revendications précédentes, dans 20 lequel ladite caractéristique déterminée comporte le débit (Q) d'air frais circulant dans la ligne d'admission (20). 6. Procédé de pilotage selon les revendications 2 et 5, dans lequel la valeur du débit (Q) d'air frais est mesurée dans la ligne d'admission (20), entre le réchauffeur (25) et le compresseur (22), et/ou est calculée en fonction de la 25 pression (P) et de la température (T) de l'air frais en un point donné de la ligne d'admission (20). 7. Procédé de pilotage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, l'air frais présentant une pression d'entrée (P1) en amont du compresseur (22) et une pressiion de sortie (P2) en sortie du compresseur (22), ladite 30 caractéristique déterminée (Pr) est fonction de la pression d'entrée (P1) et de la pression de sortie (P2). 8. Procédé de pilotage selon la revendication précédente, dans lequel la valeur de la pression d'entrée (P1) est mesurée dans la ligne d'admission (20), directement en entrée du compresseur (22), et/ou est calculée en fonction de la 35 pression atmosphérique (P0). 9. Procédé de pilotage selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel la valeur de la pression de sortie (P2) est mesurée dans la ligne 11 d'admission (20), directement en aval du compresseur (22), et/ou calculée en fonction d'une pression de suralimentation (P3) mesurée dans la ligne d'admission (20), en aval du compresseur (22) et à distance de ce dernier. 10. Moteur à combustion interne (1) comportant, d'une part, une ligne d'admission (20) d'air frais pourvue, dans le sens de circulation de l'air frais, d'un réchauffeur (25) et d'un compresseur (22), et, d'autre part, des moyens de pilotage (100) du réchauffeur (25), caractérisé en ce que lesdits moyens de pilotage (100) comportent des moyens d'acquisition (26, 27, 28) de la valeur d'au moins une caractéristique déterminée (Q, Pr) relative au compresseur (22), mémorisent une plage de fonctionnement normal (PF1) du compresseur (22), et sont pourvus d'un logiciel d'exécution qui est apte à piloter le réchauffeur (25) en fonction de chaque valeur acquise et de la plage de fonctionnement normal (PF1) mémorisée.