Brevet FR2924469A3 — publié le 20090605

FR 2924469 A3 20090605 FR 0759543 A 20071204 MOTEUR A COMBUSTION INTERNE POURVU DE MOYEN ANTI-POMPAGE POUR TURBOCOMPRESSEUR La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un bloc cylindre, un circuit d'admission et un circuit d'échappement, ledit circuit d'admission étant pourvu d'un compresseur dont l'entrée est reliée à un conduit d'admission compresseur et la sortie reliée à un conduit de suralimentation Pour réduire la consommation et les émissions polluantes, on augmente les rendements spécifiques et on réduit la cylindrée des moteurs. L'apport de la turbocompression avec de fortes pressions de suralimentation est une solution permettant à des moteurs plus petits de présenter des performances équivalentes voir supérieures à celles de moteurs plus gros. Cependant, la mise au point d'un système de turbocompression qui permette d'assurer un niveau de suralimentation suffisant à la fois pour les bas régimes et les hauts régimes de rotation du moteur est complexe. Ce problème est accentué par la réduction de la cylindrée des moteurs et l'augmentation des pressions de suralimentation. Les moteurs deviennent alors sujets au phénomène de pompage , qu'il est impératif d'éviter. Ce phénomène se manifeste par une instabilité d'écoulement qui se produit lorsque le compresseur n'est plus en mesure de produire une pression suffisamment élevée pour vaincre la résistance en aval, ou autrement dit lorsque la pression de décharge du compresseur est inférieure à la pression du système en aval. -2- L'écoulement s'inverse alors rapidement, ce qui a pour conséquences une perte de rendement soudaine du moteur et une réduction de la puissance du compresseur. Cet inversion d'écoulement est accompagnée de vibrations et de pulsations qui peuvent avoir des effets néfastes comme des dommages mécaniques aux joints, paliers et ailettes du compresseur, une usure prématurée voire une destruction du compresseur. Plusieurs solutions sont utilisées pour limiter le pompage. Parfois, des compresseurs à géométrie variable, complexes mécaniquement, et au coût élevé sont utilisés. Ces dispositifs, lorsqu'ils sont intégrés dans des moteurs à cylindrée réduite utilisés pour limiter la consommation et l'émission de polluants, entraînent un surcoût très important et affectent fortement la rentabilité de ces moteurs. D'autres fois, on utilise une vanne de purge placée en aval du compresseur pour augmenter le débit d'air et rétablir un fonctionnement normal, c'est-à-dire dans une zone où le phénomène de pompage est absent. Le temps de réponse de la vanne de purge se traduit par des alternances de cycles de fonctionnement normal et de pompage qui peut conduire à adopter une marge de sécurité, qui ne permet pas d'exploiter tout le potentiel du dispositif de suralimentation. Souvent, pour limiter le surcoût des dispositifs limitant le pompage, on adopte une marge de sécurité dans les réglages et/ou le dimensionnement du compresseur afin d'éviter que ce phénomène n'apparaisse en fonctionnement, généralement par un abaissement de la pression de suralimentation. Ceci se fait alors au détriment des performances du moteur pour lequel on n'exploite pas tous les avantages conférés par le compresseur. - 3 L'invention vise à proposer un système de suralimentation amélioré et notamment un système qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur. C'est un objet de la présente invention que de proposer un moteur par ailleurs conforme au préambule précité dans lequel une boucle de recirculation est disposée autour du compresseur comprenant un conduit de recirculation apte à piquer une partie de l'air circulant dans le conduit de suralimentation en aval du compresseur pour le remettre en circulation dans le conduit d'admission compresseur en amont du compresseur. Un moteur mettant en oeuvre un tel système de suralimentation offre de nombreux avantages parmi lesquels : - on s'affranchit des conditions ambiantes et plus particulièrement l'altitude et les changements de pression qui en résultent ; - le bruit de bouche qui peut survenir lors de la levée de pied de l'accélérateur est atténué. Suivant des modes particuliers de réalisation, le moteur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : le conduit de recirculation comprend une vanne commandée apte faire varier la quantité d'air passant dans le conduit de recirculation ; la vanne présente un débit de fuite fixe, de préférence au moyen d'un orifice calibré ; la vanne présente un débit de fuite variable entre au moins deux états d'ouverture ; la boucle de recirculation est pourvue d'un refroidisseur, de préférence le refroidisseur de suralimentation du circuit d'admission, par piquage du conduit de recirculation sur le conduit 30 -4 de suralimentation en aval dudit refroidisseur de suralimentation ; la portion de gaz recirculé varie entre 0% et 15% du débit circulant dans le conduit suralimentation. autre objet de l'invention est un procédé recirculation d'air autour d'un compresseur pour un moteur à combustion interne suralimenté comprenant les étapes suivantes de détecter un phénomène de pompage du 10 compresseur, et de recirculer une portion d'air circulant en aval du compresseur vers l'amont du compresseur en cas de détection d'un phénomène de pompage du compresseur. Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : de mesurer l'amplitude crête à crête des oscillations du débit d'air circulant dans le compresseur et de comparer cette amplitude des oscillations du débit d'air une valeur seuil prédéterminée au-delà de laquelle les amplitudes crête à crête sont caractéristiques du phénomène de pompage ; l'on effectue un traitement statistique des oscillations de débit d'air mesuré avant de les comparer à une valeur seuil ; lors de la détection d'un phénomène de pompage on recircule une portion d'air en commandant l'ouverture d'une vanne de recirculation de manière à ramener la valeur de débit d'air traversant le compresseur à une valeur cible pour laquelle il n'y a pas de phénomène de pompage ; Un de de 15 20 25 30 -5- lors de la pompage, on commandant recirculation d'oscillations supérieures à détection d'un phénomène de recircule une portion d'air en l'ouverture d'une vanne de tant que les amplitudes de débit d'air sont égales ou valeur indicative d'un phénomène 10 de pompage du compresseur ; le procédé comprend un étape de détection du phénomène de pompage par détection d'un dépassement d'une valeur seuil des amplitudes des oscillations de débit d'air circulant dans le compresseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante 15 du mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en liaison avec les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe d'un moteur suralimenté présentant une boucle de recirculation selon l'invention ; 20 - la figure 2 est un schéma de la stratégie de régulation du débit d'air en entrée du compresseur. La figure 1 présente un schéma de principe d'un moteur suralimenté 1 comprenant un bloc cylindre 10 autour duquel sont disposés un circuit d'échappement 1E et un circuit 25 d'admission 1A, le moteur étant pourvu d'une boucle de recirculation 2 selon l'invention. L'air est admis par un filtre à air 3 et se propage jusqu'à un compresseur 4 dans un conduit d'admission compresseur 5. Un débitmètre 6 est disposé dans ce conduit d'admission 30 compresseur 5 pour mesurer un débit d'air instantané provenant du filtre à air 3. -6 Le compresseur 4 est solidaire d'une turbine 7 pour former le turbocompresseur qui est mis en rotation par des gaz d'échappement provenant d'un collecteur de gaz d'échappement 8 et passant dans la turbine 7. Cette mise en rotation du compresseur 4 évacue l'air dans un conduit de suralimentation 8 qui présente un refroidisseur de suralimentation 9. Cet air refroidi est alors admis dans la chambre de combustion 10 via un répartiteur d'air d'admission 11. Une boucle de recirculation des gaz d'échappement I R, est arrangée entre la sortie d'un collecteur d'échappement 13 et le répartiteur d'air d'admission 11. Le conduit de recirculation 20 est disposée autour du compresseur 4 avec une entrée 21 disposée en aval du compresseur 4, la sortie 22 du conduit 20 étant disposée en amont du compresseur 4 et en aval du débitmètre 6. Une vanne 24 est disposée dans le conduit de recirculation 20 pour faire varier la quantité d'air recirculé entre l'aval et l'amont du compresseur 4. Cette vanne 24 est commandée en ouverture par une unité de contrôle moteur ECU 14. Cette vanne 24 peut être dite de recirculation passive , c'est-à-dire qu'elle présente un débit de fuite fixe, par exemple au moyen d'un orifice calibré. La vanne 24 présente alors deux états : ouvert et fermé, le débit recirculé variant alors respectivement entre une valeur maximum et une valeur minimum s'approchant au plus près de la valeur nulle. Cette vanne 24 peut également être dite de recirculation active , c'est-à-dire qu'elle présente un débit de fuite variable. La vanne 24 présente alors soit un nombre supérieur à deux états d'ouverture, soit un gradient d'états d'ouverture, le débit pouvant alors varier, soit entre plusieurs -7 valeurs discrètes, soit entre un continuum de valeurs comprises entre une valeur s'approchant au plus près de la valeur nulle et une valeur maximum. Le débit de recirculation peut alors être adapté plus finement que pour la vanne 24 à recirculation passive. Dans les deux cas de figure, la portion de débit recirculé pourra varier entre 0% et 15% du débit circulant dans le conduit de suralimentation 8. En variante de réalisation, non représentée, la boucle de recirculation 2 peut également présenter un refroidisseur afin de réduire le besoin d'entraînement du compresseur 4 par la réduction de la température de l'air qui y est admis. La figure 2 présente le schéma de la chaîne de régulation utilisée sur l'un des dispositifs du type précédemment décrit dans lequel on commande l'ouverture de la vanne en fonction d'un signal représentatif de la valeur moyenne du débit d'air mesuré dans le débitmètre. On décrira ce mode de réalisation par rapport à un dispositif comprenant une vanne de recirculation active. A l'approche d'une zone de pompage, le débit d'air circulant dans le compresseur 4 subit une augmentation soudaine de l'amplitude de ses variations. Ces variations peuvent être mesurées par le débitmètre 6 placé en amont du compresseur 4 ou par un capteur de pression de suralimentation placé en aval par lequel on remonte aux valeurs de débit d'air. On peut constituer un tableau de correspondance entre la pression de suralimentation et le débit d'air. Pour cela, on réalise une série de mesure à régime moteur et température d'air au niveau du répartiteur d'admission fixés, qui donneront -8- un coefficient de proportionnalité entre le débit d'air et la pression de suralimentation. Pour une détection de l'apparition du phénomène de pompage améliorée, on préfèrera la surveillance du débit d'air. En effet, il a été remarqué que le débit d'air subit des perturbations plus importantes à l'apparition du phénomène, alors que dans le même temps on ne peut observer que des variations de faible d'amplitude de pression. On peut alors remédier plus rapidement au phénomène de pompage, ce qui limite les risques de voir fonctionner le compresseur sous phénomène de pompage. Dans la suite de la description, on considérera le cas où la détection d'un fonctionnement s'approchant de la limite de pompage s'effectue à l'aide des valeurs de débit d'air mesuré à l'aide du débitmètre 6. Le débitmètre 6 traduit une valeur de débit d'air mesuré en un signal Dmes. On mesure les amplitudes de fluctuation crête à crête du signal Dmes pour pouvoir détecter l'approche d'une zone de fonctionnement du moteur vers une zone de pompage du compresseur. En variante, on peut également réaliser un traitement statistique de ces variations afin de rendre la détection plus robuste et exempte de détections erronées. Par exemple, on peut calculer l'écart type des amplitudes des oscillations de débit d'air et de choisir de ne porter la détection du phénomène de pompage uniquement sur 97% des oscillations de débit d'air correspondant une fourchette de 4 fois l'écart type. Un signal Drc est la traduction d'une valeur de débit d'air circulant dans le conduit de recirculation 20. Ce signal Drc peut provenir d'un débitmètre additionnel disposé dans le conduit de recirculation ou être fonction du degré d'ouverture de la vanne -9- de recirculation 24 suivant une loi prédéterminée, par exemple par des essais de calibration. Par ailleurs, un tableau de constantes Dc traduit les valeurs cibles situées sur une ligne effective de fonctionnement, c'est-à-dire sur une ligne sur laquelle on souhaite faire fonctionner le compresseur 4. Dans la suite de la description, le constante Dc désignera la valeur cible correspondant aux conditions de fonctionnement du compresseur 4. Généralement, cette ligne de fonctionnement présente des valeurs cibles pour lequel le compresseur 4 ne subit pas de phénomène de pompage. La ligne de fonctionnement souhaitée peut notamment être obtenue par des essais sur des bancs moteurs afin d'identifier les couples pression/ débit d'air pour lequel le phénomène de pompage au niveau du compresseur est au niveau souhaité pour un régime donné. Il reste néanmoins possible, notamment en régime transitoire, de prévoir une ligne de fonctionnement pour laquelle, le compresseur 4 subit un phénomène de pompage modéré. Le tableau de constantes Dc est avantageusement stockée dans une mémoire, de préférence dans l'unité de contrôle moteur ECU. Selon un premier mode de réalisation, les valeurs des signaux Dmes et Drc sont additionnées et comparées à la valeur de la constante Dc, pour obtenir une valeur d'écart représentée par un signal d'écart E. Ces opérations d'addition et de comparaison peuvent être réalisées par l'unité de contrôle moteur ECU. - 10 - En fonction du signe du signal d'écart s, l'unité de contrôle moteur ECU commande le degré d'ouverture de la vanne de recirculation 24. Si le signal s est positif, i.e., la valeur du débit d'air Dmes additionnée à Drc en entrée du compresseur 4 est supérieure à la valeur cible Dc, alors le calculateur ECU réduit le degré d'ouverture de la vanne 24 de manière à annuler la valeur du signal E. Si le signal s est négatif, alors le calculateur augmente le degré d'ouverture de manière à annuler la valeur du signal E. Le signal s peut aussi être considéré comme nul, c'est-à-dire que le signal peut être compris dans un intervalle prédéterminé comprenant la valeur zéro. Cet intervalle peut notamment être prédéterminé en tenant compte de la précision de la mesure des débits. Si le signal s est considéré comme nul, alors le calculateur ECU maintient le degré d'ouverture de la vanne de recirculation 24, le débit d'air recirculé restant alors inchangé. Plus généralement, outre une approche dichotomique dont un exemple vient d'être décrit, on peut prédéfinir par mise au point la quantité d'air à recirculer en fonction de chaque point de fonctionnement du moteur pour supprimer le phénomène de pompage compresseur. Autrement dit, on peut prédéfinir lors de la mise au point un débit d'air idéal permettant de se soustraire au phénomène de pompage compresseur pour chaque point de fonctionnement. Ces deux approches permettent de faire disparaître le phénomène de pompage du compresseur, ou à tout le moins de le diminuer fortement. -11- Cependant, dans des cas extrêmes, afin de protéger le compresseur 4, dans le cas où malgré les corrections du degré d'ouverture, le signal s demeure négatif après plusieurs corrections du débit d'ouverture de la vanne de recirculation 24, on peut limiter la pression de suralimentation, notamment par le biais du calculateur ECU. Pour détecter ces corrections insuffisantes successives, on peut incrémenter une variable représentant le nombre de corrections successives, et la comparer à une valeur limite. On a donc par ce biais une approximation du temps de fonctionnement du compresseur 4 dans un régime présentant un phénomène de pompage. En variante, on peut s'autoriser une quantité mesurée de pompage, notamment au moment des régimes transitoires de fonctionnement du compresseur 4. Cette faible quantité de pompage est alors déterminée en fonction des caractéristiques et de la robustesse du compresseur 4. Selon ce procédé de fonctionnement, les points de fonctionnement du compresseur peuvent être placés sur la ligne de pompage. En conservant, la même valeur de compression, les points de fonctionnement deviennent alors plus stables et sans pompage. Ce procédé est également particulièrement avantageux en ce que l'on ne tient plus compte de la pression atmosphérique car on ne contrôle la recirculation que sur les valeurs de débit d'air. En conséquence, les dispersions de performances en fonction des conditions climatiques et de l'altitude auxquelles est utilisé le moteur 1 sont réduites. Enfin, on peut aussi utiliser ce procédé pour réduire le pompage du compresseur 4 au moment de la levée de pied, et permet tout particulièrement d'éviter l'utilisation de vanne anti- - 12 - pompage de levée de pied, plus connues sous son acronyme anglais pop-off . Cette invention n'est pas limitée à la description qui a été faite du mode de réalisation donné à titre d'exemple.5 REVENDICATIONS 1. Procédé de compresseur pour un moteur à combustion interne_ suralimenté caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes de détecter un phénomène de pompage du compresseur '(4) et de recirculer une portion d'air circülan'"enaval du compresseur (4) 10 vers l'amont du compresseur (4) en cas de détection d'un phénomène de pompage du compresseur (4). 2. Procédé de recirculati et d'air selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'étape de détection d'un 15 phénomène de pompage comprend les étapes suivantes de mesurer l'amplitude crête a crête des oscillations du débit d'air circulant dans le compresseur ét :de comparer cette amplitude des oscillations du débit d'air une valeur seuil prédéterminée au-delà de laquelle les amplitudes crête à crête sont 20 caractéristiques du phénomene de pompage. 3) Procédé de recirculation_d'air selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'on effectue un traitement statistique des oscillations ._de__.de t d'air mesuré avant de les 25 comparer à une valeur seuil. 4) Procédé de recirc.ûlation d'air selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé .end:ce que lors de la détection d'un phénomène de pompage on recircule une portion d'air en 30 commandant l'ouverture d'une vanne de recirculation (24) de manière à ramener la valeur de débit d'air traversant le compresseur (4) à une valeur cible pour laquelle il n' phénomène de pompage. â pas de 5) Pro-cédé de recircutatiion d'air selon l'une des revendications 1 à 3 caractérise en ce que lors de la détection d'un phénomène de pompage, on-`rècircule une portion d'air en commandant l'ouverture d'une vanne de recirculation (24) tant que les amplitudes d'oscillations de _débit d'air sont égales ou supérieures à valeur indicâtivëd,un phénomène de pompage du ..10 compresseur (4). 6) -Prflcédé de recirculatiônd'air selon la revendication Précédente caractérisé .en ce m,qu tl comprend un étape de détection du ' phénomène de pompage par détection d'un 15 dépassement d'une valeur seuil des amplitudes des oscillations de débit d'air circulant dans l_e, compresseur (4).