Brevet FR2924172A1 — publié le 20090529

V/Réf: PJ 8268 7 N/Réf: B07-3113 FR - FZ/CRA/EVH Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Système de calage acoustique pour un moteur à combustion interne Invention de : AMMAR Ali Système de calage acoustique pour un moteur à combustion interne L'invention concerne un système de calage acoustique pour un moteur à combustion interne. Les moteurs suralimentés qui utilisent un compresseur, notamment un turbocompresseur, sont concernés par deux phénomènes majeurs pouvant entraîner la perte ou la limitation des performances du moteur. D'une part, le phénomène appelé � pompage compresseur � est un phénomène aérodynamique intervenant dans un compresseur caractérisé par des mouvements de retour d'air momentanés et répétés de la zone de compression vers l'aspiration. Lorsque la différence de pression entre l'entrée et la sortie du compresseur devient trop élevée, des instabilités que l'on appelle décollements apparaissent au niveau des aubes du compresseur. Ce phénomène apparaît lorsque le rapport de compression (c'est-à-dire le rapport entre la pression de sortie et la pression d'entrée du compresseur) dépasse une valeur critique. Si ce phénomène limite les performances des compresseurs, c'est également un phénomène destructeur pour les aubes des compresseurs. En particulier, ce phénomène intervient lorsque le moteur fonctionne à haut régime et que l'on recherche une puissance du moteur supplémentaire. D'autre part, lorsque le moteur fonctionne avec des conditions où les pressions sont plus faibles, à bas régime ou en altitude, et lorsque le compresseur est au maximum de ses capacités d'entraînement, il en résulte une incapacité d'accroître le couple stabilisé du moteur sans impacter la puissance maximale de ce dernier. On entend par � compresseur au maximum de ses capacités � lorsque celui-ci délivre un débit d'air compressé maximum pour le moteur. Pour un compresseur à géométrie variable (CGV), les ailettes du compresseur sont alors dans une position complètement fermée. Dans le cas d'un turbocompresseur ayant une turbine à géométrie variable (TGV), le compresseur est au maximum de ses capacités lorsque les ailettes de la turbine sont complètement fermées et pour un turbocompresseur à géométrie fixe (TGF) la soupape de décharge, dite � waste-gate �, est complètement fermée. I1 existe des dispositifs appelés � anti-pompage � qui permettent d'empêcher le phénomène de pompage compresseur. On peut limiter les consignes de suralimentation, mais l'utilisation de consignes calibrées est un moyen peu souple entraînant une baisse de la marge de fonctionnement et une perte de réactivité du moteur. On peut utiliser un compresseur à géométrie variable (CGV), mais le mécanisme est complexe, les coûts sont élevés, mais également la masse supplémentaire sur le compresseur peut entraîner une baisse de sa fiabilité. On peut également utiliser un circuit de recirculation d'air � Ported Shroud � comprenant une vanne de recirculation d'air. A cet effet, on peut citer le brevet US6701710 et les demandes de brevet WO2005/121559 et WO2005/017329 qui décrivent un dispositif de recirculation de l'air en sortie du compresseur vers l'entrée afin de réduire la pression en sortie du compresseur et favoriser une différence de pression motrice afin d'accroître le taux de gaz d'échappement partiellement recyclés. On peut, en outre, citer la demande de brevet JP9291833 qui décrit un dispositif de recirculation en entrée du compresseur afin d'accroître les rendements d'une turbine à gaz destinée à la production d'électricité. Mais ce circuit de recirculation entraîne un coût élevé et génère un bruit difficilement envisageable sur un véhicule de tourisme, en outre, il est peu efficace à bas régime pour les faibles débits et rapports de compression. On peut citer par exemple la demande de brevet US2005103012 qui décrit une vanne de recirculation d'air, dite � pop-off � ou � blow-off �, sur les moteurs essences. Cette vanne permet en général une recirculation lors des phases de décélération, en outre elle génère un son particulier lors de sa mise en service. En outre, il est possible de limiter ces phénomènes en agissant sur le remplissage en air du compresseur, on peut agir sur l'amont du filtre à air, ou on peut également utiliser un dispositif dit � volume amont compresseur � qui correspond à un réservoir placé en amont du compresseur, entre le filtre à air et le compresseur, destiné à modifier l'impédance du circuit amont du compresseur. Mais ces solutions modifient l'aérodynamisme et sont peu robustes au regard des contraintes liées aux flux importants d'air. Egalement, le volume amont compresseur est un moyen intrusif créant une perte de charge qui limite la puissance maximale du moteur. Une autre technique consiste à agir sur l'arrosage amont du compresseur pour canaliser l'écoulement afin de limiter les décollements, mais elle est difficile et encombrante à mettre en oeuvre. Un but de l'invention est donc de fournir un système permettant d'augmenter les performances d'un moteur suralimenté tant à haut régime, pour obtenir une puissance supplémentaire sans pour autant déclencher un phénomène de pompage compresseur, qu'à bas régime, pour accroître le couple du moteur sans être limité par les capacités d'entraînement du compresseur ou de la turbine. En particulier, un but de l'invention est de fournir un système pour accroître le débit d'air du moteur lorsque celui-ci fonctionne à haut régime et à bas régime. Selon un aspect de l'invention, le système de calage acoustique pour un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprend un compresseur de suralimentation du moteur en air et un conduit d'admission en air connecté entre le compresseur et le moteur. Selon une caractéristique générale de cet aspect de l'invention, le système comprend un conduit de dérivation dont les deux extrémités sont couplées audit conduit d'admission en air. Ce couplage peut être direct ou indirect, par l'intermédiaire par exemple d'un répartiteur d'air. Grâce à un conduit de dérivation, on permet de résoudre les problèmes cités ci-dessus par un moyen simple et peu onéreux. Le système comprenant un conduit de dérivation conforme à l'invention permet un calage acoustique du conduit d'admission en air du moteur, c'est-à-dire qu'il permet d'améliorer le débit d'air du moteur. Selon un mode de réalisation, le conduit de dérivation est de longueur différente de celle dudit conduit d'admission en air. Grâce à une différence de longueur entre le conduit de dérivation et le conduit d'admission en air, on peut adapter le calage acoustique en fonction du type de moteur et notamment en fonction des différences de performance de puissance des moteurs. Selon un autre mode de réalisation, le système comprend un répartiteur d'admission en air connecté entre le conduit d'admission en air et le moteur, sur lequel est connecté, en outre, une des extrémités du conduit de dérivation. Grâce au fait de connecter l'extrémité avale du conduit de dérivation sur le répartiteur d'admission en air, on rapproche le conduit de dérivation vers le moteur et ainsi on diminue l'encombrement dudit conduit de dérivation, on facilite également son implémentation. En outre, en rapprochant le conduit de dérivation vers le moteur, on diminue la température dégagée par ledit conduit sur les éléments situés en amont, comme un refroidisseur d'air suralimenté qui est placé de préférence en aval du compresseur sur le conduit d'admission en air. Selon un autre mode de réalisation, le système comprend en outre un collecteur d'air connecté audit compresseur et un conduit de recirculation d'air dont une extrémité est connectée audit conduit d'admission en air et l'autre extrémité est connectée audit collecteur d'air. Grâce à la combinaison d'un système de calage acoustique conforme à l'invention et d'un système de recirculation d'air, on peut améliorer les performances du compresseur, quel que soit le régime du moteur, et notamment pour limiter la réduction des capacités d'entraînement du compresseur liée au principe de la recirculation en air. On observe également que l'amélioration est supérieure à la somme des effets de chacun des systèmes pris séparément. Selon un autre mode de réalisation, le système comprend en outre un collecteur d'air connecté audit compresseur et un réservoir d'air, également communément appelé � volume amont compresseur �, placé sur ledit collecteur d'air pour faire varier la capacité d'admission d'air dudit collecteur d'air. Grâce à un réservoir d'air situé sur le collecteur d'air, en amont du compresseur, on peut modifier l'impédance acoustique du collecteur d'air, et améliorer ainsi le débit d'air délivré par le compresseur. En outre, l'utilisation d'un volume amont compresseur permet d'accroître le niveau de suralimentation du compresseur à bas régime moteur, améliorant ainsi la robustesse au regard du pompage compresseur. I1 est possible dans ce cas de réduire la forme intrusive du volume amont compresseur et donc de réduire les pertes de charge. Egalement, il est possible d'envisager la combinaison des trois dispositifs, calage acoustique, recirculation en air et volume amont compresseur. Avantageusement, on peut utiliser un système selon l'invention en plus des dispositifs anti-pompage tels que le volume amont compresseur ou la recirculation en air, les gains de remplissage en air à bas régime permettent d'accroître le débit d'air naturellement, le surcroît d'air permet alors au moteur de livrer davantage de débit enthalpique à la turbine, d'où un accroissement substantiel des capacités d'entraînement du compresseur. En outre, le moteur suralimenté trouve alors un nouvel équilibre permettant un accroissement des performances à bas régime, typiquement quand le régime moteur est inférieur à 1600 tours par minute. Selon un autre mode de réalisation, le compresseur est à géométrie variable. Selon un autre mode de réalisation, le système comprend une turbine à géométrie variable pour récupérer des gaz d'échappement du moteur par un collecteur d'échappement des gaz connecté entre le moteur et ladite turbine et pour entraîner le compresseur par un arbre d'entraînement reliant ledit compresseur à ladite turbine. Avantageusement, il est possible de réduire les niveaux de fumée pour un couple moteur donné par accroissement du débit d'air pour une même pression de suralimentation. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un système de calage acoustique conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue graphique des points de fonctionnement d'un moteur. Sur la figure 1, on a représenté de manière schématique un moteur à combustion interne 1 d'un véhicule automobile comprenant au moins un cylindre 2, ledit moteur 1 étant relié à un turbo compresseur 3 de suralimentation du moteur 1 en air comportant une turbine 4, un compresseur 5 et un arbre d'entraînement 6 reliant la turbine 4 au compresseur 5. Dans une autre forme de réalisation, le moteur 1 peut comprendre un compresseur 5 seul, sans turbine 4 ni arbre d'entraînement 6. Le compresseur 5 est alimenté en air par un collecteur d'air 7 comprenant un filtre à air 8 et un débitmètre 9. Le moteur 1 est alimenté en air par l'intermédiaire d'un répartiteur en air 10 connecté audit moteur 1 et à un conduit d'admission en air 13, qui relie le compresseur 5 au moteur 1. Le conduit d'admission en air 13 est pourvu d'un organe de refroidissement de l'air suralimenté 12. Un collecteur d'échappement 14 récupère les gaz d'échappement issus de la combustion et évacue ces derniers vers l'extérieur, en passant par un conduit d'échappement des gaz 15 en direction de la turbine 4 du turbocompresseur 3, puis par une ligne d'échappement 16, qui peut comprendre un moyen pour diminuer les émissions polluantes 17 comme un filtre à particules ou un catalyseur. En outre, le moteur 1 peut comprendre un circuit de recirculation des gaz d'échappement 18, pour réinjecter une partie des gaz d'échappement dans le conduit d'admission en air 13, de manière à, en particulier, limiter la quantité d'oxyde d'azote produit tout en évitant la formation de fumée dans les gaz d'échappement. Ce circuit de recirculation 18 comporte essentiellement une vanne de recirculation des gaz d'échappement, dite � vanne EGR �, désignée par la référence numérique générale 19. En particulier, le moteur 1 comprend un réservoir d'air ou � volume amont compresseur � 20 situé entre le débitmètre 9 et le compresseur 5. Le volume amont compresseur 20 peut être également placé entre le filtre à air 8 et le débitmètre 9. En outre, la position du volume amont compresseur 20, ainsi que son volume, sont fonction du volume optimal qui est à définir suivant chaque application considérée. Un circuit de recirculation d'air 21 comporte une partie connectée en aval de l'organe de refroidissement de l'air suralimenté 12 sur le conduit d'admission en air 13, l'autre extrémité étant connectée au collecteur d'air 7 du compresseur 5 en aval du filtre à air 8. La partie du circuit de recirculation d'air 21 connectée audit collecteur 7 peut être située entre le débitmètre 9 et le volume amont compresseur 20, mais également entre le filtre à air 8 et le débitmètre 9, ou encore entre le volume amont compresseur 20 et le compresseur 5. Ce circuit de recirculation d'air 21 comprend également une vanne de recirculation d'air 22 commandée. Le système de calage acoustique comprend un conduit de dérivation 23 du conduit d'admission en air 13. Le conduit de dérivation 23 comprend une extrémité connectée en aval de l'organe de refroidissement de l'air 12, et une autre extrémité opposée connectée audit conduit d'admission en air 13 en aval de la première connexion dudit conduit de dérivation 23. L'extrémité 230 du conduit de dérivation 23 qui est le plus en aval peut être placée librement sur le conduit d'admission en air 13 entre le compresseur et la culasse (non représentée sur la figure) du moteur 1. Elle peut être placée de préférence le plus proche du moteur 1, par exemple être connectée directement sur le répartiteur d'admission en air 10 comme illustré en tireté sur la figure 1. Ainsi on diminue l'encombrement du conduit de dérivation 23, on facilite son implémentation, et on réduit la température du circuit de recirculation d'air situé dans un environnement proche dudit conduit de dérivation 23. Sur la figure 2, on a représenté les points de fonctionnement 100, 101 et 102 du moteur 1 en fonction du débit d'air Qc dans le compresseur 5 et du rapport de pression Ps/Pe, où Ps est la pression en sortie du compresseur 5 et Pe la pression en entrée du compresseur 5. A bas régime, c'est-à-dire pour un régime inférieur à 1600 tours par minute, le besoin en air du moteur nécessite de forts niveaux de suralimentation pour des débits relativement modérés. Les points de fonctionnement du moteur sont alors en dehors de la zone usuelle d'utilisation 300 du compresseur 5 à gauche de la ligne d'instabilité 201, appelée limite de pompage compresseur, le fonctionnement du moteur 1 devient instable et sans grandes robustesses des réglages, tant à zéro mètres qu'en altitude, les performances du moteur 1 diminuent par une réduction du niveau de la pression de suralimentation. Afin de retrouver un point de fonctionnement plus stable, il est nécessaire que le point de fonctionnement du moteur 1 se trouve à droite de la ligne de pompage 201 correspondant soit au champ fourni par le constructeur, soit par une autre limite plus à gauche 202, et revienne ainsi dans le champs compresseur 300 ou du moins dans une zone plus stable 301 à proximité immédiate de la limite de pompage compresseur 202. La mise en place d'un circuit de recirculation en air 21 a pour effet d'accroître le débit apparent au niveau du compresseur 5 tout en maintenant le même débit d'air nécessaire au bon fonctionnement du moteur 1. Pour un même débit d'air moteur une recirculation de l'air 21 de la sortie vers l'entrée du compresseur 5 définit une nouvelle limite de pompage compresseur 202 et permet de déplacer le point de fonctionnement plus à droite vers une zone plus stable 301. Soit le point de fonctionnement 100, dont le niveau de suralimentation maximale PrepO est limité par la limite de pompage compresseur 201. Un dispositif anti-pompage, comme le volume amont compresseur 20 ou le circuit de recirculation d'air 21, définit une nouvelle limite de pompage 202 et permet de retrouver un point de fonctionnement 101 avec un niveau de suralimentation Prepl supérieur, la limite étant alors fixée par les capacités d'entraînement du compresseur 5. Pour accroître encore le niveau de suralimentation il est nécessaire de modifier le besoin en air du moteur 1 en accroissant sont débit via un remplissage en air amélioré, le système de calage acoustique permet ces gains. Le remplissage étant meilleur, le débit d'air Qc croît pour un même niveau de suralimentation Prepl, dès lors le compresseur 5 dispose davantage d'enthalpie massique d'où un gain de suralimentation au point de fonctionnement 102 ayant un niveau de suralimentation Prep2 supérieur. I1 apparaît que l'association du système de calage acoustique selon l'invention avec un des moyens d'amélioration du remplissage en air du moteur, comme le circuit de recirculation d'air 21 ou le volume amont compresseur 20, permet des gains de puissance du moteur supérieurs à chacune des solutions prises séparément. En outre, les gains sont bien supérieurs à la simple sommation des effets du système de calage acoustique et du volume amont compresseur 20 d'une part, et à la simple sommation des effets du système de calage acoustique et de la recirculation d'air 21 d'autre part. Avantageusement, pour un moteur comprenant un turbocompresseur, il est possible d'ajouter un système de calage acoustique conforme à l'invention et ainsi, conserver les réglages de butée d'origine de la turbine, le gain de remplissage permettant à lui seul d'accroître le débit d'échappement disponible à la turbine.25 REVENDICATIONS 1. Système de calage acoustique pour un moteur (1) à combustion interne de véhicule automobile comprenant un compresseur (5) de suralimentation du moteur en air, un conduit d'admission en air (13) connecté entre le compresseur (5) et le moteur (1), caractérisé en ce qu'il comprend un conduit de dérivation (23) dont les deux extrémités sont couplées audit conduit d'admission en air (13). 2. Système selon la revendication 1, dans lequel, le conduit de dérivation (23) est de longueur différente de celle dudit conduit d'admission en air (13). 3. Système selon la revendication 2, comprenant un répartiteur d'admission en air (10) connecté entre le conduit d'admission en air (13) et le moteur (1), sur lequel est connecté, en outre, une des extrémités du conduit de dérivation (23). 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un collecteur d'air (7) connecté audit compresseur (5) et un conduit de recirculation d'air (21) dont une extrémité est connectée audit conduit d'admission en air (13) et l'autre extrémité est connectée audit collecteur d'air (7). 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant en outre un collecteur d'air (7) connecté audit compresseur (5) et un réservoir d'air (20) placé sur ledit collecteur d'air (7) pour faire varier la capacité d'admission d'air dudit collecteur d'air (7). 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel, le compresseur (3) est à géométrie variable. 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant une turbine (4) à géométrie variable pour récupérer des gaz d'échappement du moteur (1) par un collecteur d'échappement des gaz (15) connecté entre le moteur et ladite turbine (4) et pour entraîner le compresseur (3) par un arbre d'entraînement reliant ledit compresseur (3) à ladite turbine (4).