Brevet FR2956437A1 — publié le 20110819

PROCEDE DE PREVENTION CONTRE LE POMPAGE D'UN TURBOCOMPRESSEUR [0001] L'invention porte sur le domaine des moteurs à combustion suralimenté, présentant au moins un turbocompresseur, et comportant en outre de préférence un compresseur à actionnement mécanique ou électrique (dit compresseur assisté). [0002] L'emploi d'un système de suralimentation mettant en jeu un turbocompresseur, entrainé par les gaz d'échappement du moteur équipé, et d'un compresseur mécanique ou électrique permet une suralimentation du moteur efficace sur une large plage de fonctionnement du moteur. [0003] En particulier, à bas régime le compresseur est l'élément prépondérant de la suralimentation. Il est dimensionné pour atteindre des performances importantes à bas régime, et pour permettre une réponse transitoire satisfaisante. [0004] A haut régime, le turbocompresseur devient l'élément prépondérant de la suralimentation. Il est alors dimensionné pour de forts débits gazeux, et fonctionne dans des zones de bons rendements à hauts régimes, ce qui permet de limiter la contre-pression sortie moteur et d'atteindre des performances élevées [0005] Cependant, les moteurs actuels équipés de turbocompresseurs et de compresseurs assistés sont limités en performances par les contraintes de fonctionnement du turbocompresseur. L'inconvénient principal de cette architecture est que la plage de fonctionnement admissible du turbocompresseur limite les performances atteignables par le moteur, du fait du phénomène de pompage du turbocompresseur. [0006] Une situation de pompage du compresseur du turbocompresseur correspond à une situation dans laquelle, sous un faible débit gazeux, une forte pression en sortie du compresseur a tendance à refouler les gaz par l'entrée de celui-ci, entrainant une forte instabilité dans le flux gazeux et des oscillations de débit à des fréquences de 5 à 20hz, désagréables pour l'utilisateur du moteur et potentiellement destructrices pour le turbocompresseur. Cette situation se produit typiquement lorsqu'on souhaite réduire fortement le couple moteur en décélération : il est alors nécessaire dans un moteur à allumage commandé de réduire fortement le débit d'air à l'admission du moteur. On ferme donc le boîtier papillon en charge de réguler l'admission de l'air dans le moteur, ce qui a pour conséquence de réduire le débit d'air dans le compresseur, alors que celui-ci est encore à forte vitesse, ce qui augmente la pression en sortie de compresseur. [0007] Il est connu pour maintenir un turbocompresseur en dehors d'une zone de fonctionnement entrainant le phénomène de pompage de faire baisser son taux de compression en ouvrant une vanne de dérivation autour de la turbine du turbocompresseur, vanne dite « waste gate ». La régulation de l'ouverture de la waste gate permet une régulation du taux de compression du compresseur. Cependant, on constate que le débit dans le turbocompresseur diminue en même temps que le taux de compression effectif, alors même que cette baisse de débit est favorable au déclenchement du phénomène de pompage. Ceci a pour conséquence de diminuer l'efficacité d'une telle mesure : il faut donc fortement baisser le taux de compression pour permettre au turbocompresseur de se maintenir en dehors d'une zone de fonctionnement entrainant le pompage. Baissant fortement le taux de compression du turbocompresseur, il faut par conséquent fournir une énergie importante au compresseur électrique pour assurer une bonne efficacité de la suralimentation. Le bilan énergétique d'une telle solution n'est donc pas optimal. [0008] Il est connu au travers de la demande de brevet EP1548250 un moyen de régulation permettant de limiter le pompage d'un turbocompresseur ou une survitesse d'un turbocompresseur, par un pilotage séquentiel de l'ouverture d'une vanne de bipasse de la turbine et de l'ouverture d'une vanne d'une dérivation autour du compresseur. Un tel pilotage permet de limiter dans une certaine mesure le pompage du turbocompresseur, tout en en assurant la régulation du taux de compression. Cependant, par un tel pilotage on réduit le phénomène de pompage au prix d'une dégradation des performances de la suralimentation. [0009] Dans l'invention, on résout ces problèmes en proposant un procédé de prévention contre le pompage optimisé d'un dispositif de suralimentation comportant un turbocompresseur. [0010] En particulier, on propose un procédé simple pour éviter le phénomène de pompage du turbocompresseur dans une architecture de suralimentation présentant un turbocompresseur, sans dégrader excessivement le rendement du dispositif de suralimentation ou sa performance, notamment lorsqu'il comporte en outre un compresseur assisté (à entrainement mécanique par le vilebrequin du moteur, ou électrique). [0011] Plus précisément, l'invention porte donc sur un procédé de prévention contre le pompage d'un turbocompresseur d'un dispositif de suralimentation d'un moteur à combustion, dans lequel les gaz d'échappement peuvent bipasser au moins en partie la turbine du turbocompresseur pour en réduire le taux de compression, caractérisé en ce que, lorsque le fonctionnement du turbocompresseur s'approche d'une limite de pompage, on retourne une part des gaz de la sortie du compresseur du turbocompresseur vers son entrée de sorte à augmenter le débit gazeux le traversant, et on réduit la quantité de gaz bipassant la turbine de sorte à de garantir l'absence de pompage. Par l'effet combiné de ces deux actions, le procédé selon l'invention permet de repositionner le fonctionnement du turbocompresseur sur un point sûr vis-à-vis du phénomène de pompage, sans trop en dégrader la performance, en ce que la baisse du taux de compression qui lui est appliquée de sorte à parvenir à un tel point de fonctionnement est limitée par l'augmentation du débit le traversant. [0012] De préférence, on réduit la quantité de gaz bipassant la turbine au minimum permettant de garantir l'absence du pompage. On limite ainsi au mieux la perte de performance du moteur liée à la baisse du taux de compression du turbocompresseur. [0013] De préférence, on retourne les gaz de la sortie du compresseur du turbocompresseur vers son entrée via un premier conduit de dérivation muni d'une première vanne pilotée en boucle ouverte. Cette première vanne permettra de réguler la quantité de gaz retournée en entrée du compresseur du turbocompresseur pour augmenter le débit le traversant. [0014] Dans une variante de l'invention, on retourne les gaz de la sortie du compresseur du turbocompresseur vers son entrée par l'ouverture de la première vanne dans une position prédéfinie et fixe. Dans cette variante, le pilotage en boucle ouverte impose une ouverture fixe quel que soit le point de fonctionnement du turbocompresseur au début de l'application du procédé selon l'invention, prédéterminée, et de préférence partielle. Une ouverture partielle de la vanne est suffisante, notamment lorsque cette vanne est dimensionnée de sorte à jouer également le rôle de vanne de décharge (généralement désignée par l'expression anglophone « dump-valve ») pour prévenir le turbocompresseur contre le phénomène de pompage tel que classique réalisé, dans des situations bien particulières (levé de pied à forte charge, etc.). [0015] Dans une variante de l'invention, on retourne les gaz de la sortie du compresseur du turbocompresseur vers son entrée par l'ouverture de la première vanne selon une loi d'ouverture variable prédéfinie. Cette capacité ouverture variable pilotée permet de piloter l'ouverte de la première vanne de sorte à l'adapter au mieux au point de fonctionnement sur lequel se trouve le turbocompresseur avant application d'un procédé selon l'invention. [0016] De préférence, on bipasse la turbine via un second conduit de dérivation muni d'une seconde vanne pilotée en boucle fermée. Cette seconde vanne est généralement désignée par l'expression anglophone « waste gate » et permet de piloter le taux de compression du turbocompresseur, et en l'occurrence la baisse du taux de compression à lui appliquer pour le faire revenir dans une zone de fonctionnement sûre vis-à-vis du pompage. Bien évidemment, on pilote cette waste-gate de sorte à baisser au minimum le taux de compression du turbocompresseur, pour dégrader au minimum les performances du moteur. Comme, dans l'invention, on augmente par ailleurs le débit dans le compresseur du turbocompresseur, la réduction du taux de compression appliquée au turbocompresseur pourra rester modérée. [0017] De préférence, on retourne les gaz de la sortie du compresseur du turbocompresseur vers son entrée par l'ouverture de la première vanne dans une position variable selon une loi d'ouverture variable tendant à minimiser la réduction du taux de compression imposée au turbocompresseur par la seconde vanne. Ainsi, on impose comme critère dans la définition de la loi de pilotage en boucle ouverte de la première vanne, dans la variante de l'invention dans laquelle elle présente une ouverture variable, une minimisation de la perte de performance du turbocompresseur, qui aura lieu du fait de la baisse de son taux de compression imposée par la waste-gate. [0018] Dans une variante de l'invention appliquée à un dispositif de suralimentation comportant en outre un compresseur assisté, on compense la baisse du taux de compression du turbocompresseur par une augmentation du taux de compression du compresseur assisté. Ainsi, la performance du moteur est préservée, notamment dans la configuration particulière d'un moteur à suralimentation étagée. Par l'application d'un procédé selon l'invention, la compensation de la baisse du taux de compression à appliquer est cependant moindres (et donc moins pénalisante d'un point de vue énergétique) que dans le cadre d'un procédé de protection contre le pompage qui se contenterait d'appliquer une baisse du taux de compression du turbocompresseur. En effet, dans l'invention, la baisse du taux de compression imposée au compresseur est limitée par l'augmentation du débit dans le compresseur du turbocompresseur. [0019] De préférence le fonctionnement du turbocompresseur est défini par le débit volumique de gaz traversant le compresseur du turbocompresseur et par le taux de compression du turbocompresseur. En prenant en compte ces deux paramètres influant sur le phénomène de pompage, on peut notamment définir des cartographies simples de fonctionnement para rapport à la limite de pompage, ainsi que des cartographies de pilotage de la première vanne notamment. [0020] Dans une variante de l'invention, le fonctionnement du turbocompresseur est défini par une fonction du régime moteur. C'est une solution simple de caractérisation du fonctionnement du turbocompresseur. On peut associer directement à une fonction du régime moteur, et éventuellement d'un autre paramètre tel que le couple du moteur, des zones de fonctionnement plus ou moins sûres du turbocompresseur vis-à-vis du phénomène de pompage. [0021] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures 10 représentant schématiquement les éléments nécessaires à une bonne compréhension de l'invention. [0022] La figure 1 présente schématiquement l'architecture d'un dispositif de suralimentation d'un moteur sur laquelle un procédé conforme à une variante préférentielle de l'invention peut être mise en oeuvre. 15 [0023] Un moteur 1 est équipé d'un dispositif de suralimentation étagé comportant un turbocompresseur 2 doté d'une turbine 21 et d'un compresseur du turbocompresseur 22, et un compresseur assisté 3 à entrainement mécanique (par le vilebrequin du moteur 1) ou à entrainement par un dispositif électrique 4 tel qu'ici représenté. [0024] Une première vanne est disposée en dérivation du compresseur du 20 turbocompresseur 22. Une deuxième vanne dite waste-gate 5 est disposée en dérivation de la turbine 21. [0025] Dans la variante de l'invention ici représentée, la première vanne est constituée par une vanne de décharge 6 (ou « dump-valve »), c'est-à-dire une vanne s'ouvrant en cas de surpression en aval du compresseur du turbocompresseur 22, par exemple lors 25 d'un levé de pied à l'accélération dans une application automobile. Dans la variante préférentielle de l'invention, cette première vanne peut s'ouvrir de manière proportionnelle [0026] Dans une variante de l'invention non représentée ici, la vanne de décharge 6 et la première vanne pourraient être deux vannes distinctes, montées dans des conduits de dérivation indépendants autour du compresseur du turbocompresseur 22. De même, 30 notamment pour une application du procédé selon l'invention à un moteur Diesel, ne présentant pas de vanne de décharge, la première vanne peut être une vanne spécifique montée en dérivation autour du compresseur du turbocompresseur 22. [0027] Une vanne dite vanne de bipasse 7 est disposée en dérivation du compresseur assisté 3, et permet notamment de le dériver lorsque seul le turbocompresseur assure la suralimentation du moteur (par exemple, et selon l'application considérée, aux hauts régimes du moteur 1) [0028] Dans la variante d'architecture ici représentée, le moteur 1 est en outre équipé d'un refroidisseur d'air de suralimentation 8 et d'une vanne papillon ou « doseur » 9. [0029] On a représenté en figure 2 une cartographie des points de fonctionnement du compresseur du turbocompresseur 22, sous la forme d'un graphique bidimensionnel présentant en abscisse le débit volumique corrigé Q (fonction des température et pression en entrée du compresseur du turbocompresseur 22) et présentant en ordonnée le taux de compression T du compresseur du turbocompresseur 22. Un dispositif permet de déterminer le point de fonctionnement du turbocompresseur dans cette cartographie. Dans une variante de l'invention, le point de fonctionnement du turbocompresseur est déterminé par l'analyse du régime du moteur. Ces moyens permettent de caractériser le fonctionnement du turbocompresseur et de le positionner par rapport à sa limite de pompage. La limite de pompage du turbocompresseur est une caractéristique bien connue d'un turbocompresseur, qui dépend de ses caractéristiques physiques et de conception. [0030] La première zone Z1 correspond à la zone de fonctionnement acceptable vis-à-vis du phénomène de pompage du turbocompresseur. La deuxième zone Z2 est une zone pour laquelle la limite de pompage est proche. On met avantageusement en oeuvre un procédé conforme à l'invention lorsque l'on détecte que le turbocompresseur est sur un point de fonctionnement situé dans cette deuxième zone Z2. La troisième zone Z3 correspond à la zone de pompage du turbocompresseur, dans laquelle on évite que le turbocompresseur fonctionne. La limite de pompage est donc située à l'interface entre la deuxième zone Z2 et la troisième zone Z3. [0031] Lorsque l'on détecte que le turbocompresseur 2 présente un fonctionnement proche de sa limite de pompage, ce qui correspond en pratique dans le cas de figure ici représenté à un point de fonctionnement situé dans la deuxième zone Z2, ou que le point de fonctionnement du turbocompresseur s'approche de la zone de pompage, on applique des mesures tendant à ramener le turbocompresseur sur un point de fonctionnement acceptable, permettant de garantir l'absence de pompage du turbocompresseur. [0032] On a représenté sur la figure 2 un point de fonctionnement de départ P, situé dans la deuxième zone de fonctionnement Z2. Il est connu dans l'art antérieur de baisser le taux de compression du compresseur en agissant sur la waste gate 5. Dans la variante de l'invention ici représentée, la diminution de la performance liée à la baisse du taux de compression du turbocompresseur peut être compensée par une augmentation du taux de compression du compresseur assisté 3. [0033] Cependant, on constate que le débit volumique corrigé dans le turbocompresseur diminue en même temps que le taux de compression effectif. Ceci a pour conséquence de nous écarter plus lentement du pompage lorsque l'on diminue le taux de compression. Un tel effet est représenté par la première trajectoire El d'évolution du point de fonctionnement du turbocompresseur. Ainsi, pour rentrer dans la première zone Z1, il faut imposer au turbocompresseur une première baisse de son taux de compression OT1 pour faire rentrer le turbocompresseur dans la première zone Z1, du fait de la première baisse de débit OQ1 entrainée par la baisse du taux de compression. Sans la première baisse de débit OQ1, le retour dans la première zone Z1 aurait nécessité une plus faible baisse du taux de compression .8.T1. L'importante baisse du taux de compression du turbocompresseur 2 nécessite alors pour maintenir les performances du moteur 1 une importante hausse du taux de compression du compresseur assisté 3, ce qui implique un apport énergétique important dans ce compresseur, par le dispositif électrique 4 dans une variante de l'invention mettant en jeu une architecture selon la figure 1. Cette solution n'est donc pas optimale au niveau du rendement énergétique du dispositif de suralimentation. [0034] Dans l'invention, on propose un procédé permettant de limiter la perte de performance du turbocompresseur, et corolairement à améliorer le rendement énergétique de l'ensemble de suralimentation. Pour cela, partant du point de départ P représenté sur la figure 2, le procédé développé dans l'invention permet le retour du point de fonctionnement du turbocompresseur dans la première zone Z1, selon une trajectoire du type de la deuxième trajectoire E2, qui combine une baisse du taux de compression du turbocompresseur 2, mettant en jeu un pilotage en boucle fermée de la waste-gate 5, et une augmentation du débit traversant son compresseur. [0035] On s'écarte de la zone de pompage par 2 effets : - l'augmentation de débit vu par le turbocompresseur - l'augmentation de température en amont du turbocompresseur, influant sur le débit volumique en entée du compresseur du turbocompresseur puisque le débit corrigé se calcule par la formule : Qbase ' Temp ref * Pref Pentrée Tempentrée Avec: Q : débit massique (corrigé) ; Qbase : débit d'air entrant dans le compresseur, soit le débit d'air frais auquel s'ajoute le 5 débit recirculé Tempentrée : température en entrée du compresseur du turbocompresseur ; Tempref: température de référence ; Pentrée : pression en entrée du compresseur du turbocompresseur ; Pref : pression de référence. 10 [0036] Pour ce faire, le débit dans le compresseur du turbocompresseur 22 est augmenté par une ouverture de la première vanne, ici la vanne de décharge 6 (ou « dumpvalve »). L'ouverture de la vanne de décharge 6 est réalisée selon un pilotage en boucle ouverte. Selon la variante de l'invention considérée, on ouvre la vanne de décharge dans une position prédéfinie, ou selon une loi de commande tendant à minimiser la réduction du 15 taux de compression imposée au turbocompresseur par la deuxième vanne, ici la wastegate 5. [0037] Bien évidemment, le pilotage de la waste gate 5 tend quant à lui de préférence à réduire le taux de compression au strict minimum permettant le retour du turbocompresseur dans la première zone de fonctionnement Z1. En d'autres termes, on 20 réduit la quantité de gaz bipassant la turbine au minimum permettant de garantir l'absence de pompage. [0038] Ainsi, dans une variante mettant en jeu l'architecture présentée en figure 1, l'énergie à fournir au compresseur assisté pour compenser la baisse de performance liée à la baisse du taux de compresseur du turbocompresseur sera minimisée, tout en 25 conservant un niveau de performance important pour le moteur. [0039] L'invention permet ainsi à faible coût de résoudre les problèmes de pompage du turbocompresseur, tout en limitant la baisse du taux de compression du turbocompresseur, et en conséquence la puissance à fournir au compresseur électrique dans une architecture. [0040] Dans une telle architecture, l'invention permet une amélioration du compromis entre les performances et la puissance consommée par le compresseur assisté. [0041] A performances égales, on diminue fortement la puissance à fournir par le compresseur assisté (de l'ordre de 45%) en comparaison avec une adaptation sans utilisation de la stratégie. [0042] Si l'on admet une perte de performance du moteur pour éviter le pompage du turbocompresseur, l'application d'un procédé selon l'invention permet d'améliorer les performances du moteur à bas régimes. Revendications: 1. Procédé de prévention contre le pompage d'un turbocompresseur (2) d'un dispositif de suralimentation d'un moteur à combustion (1), dans lequel les gaz d'échappement peuvent bipasser au moins en partie la turbine (21) du turbocompresseur (2) pour en réduire le taux de compression, caractérisé en ce que, lorsque le fonctionnement du turbocompresseur (2) s'approche d'une limite de pompage, on retourne une part des gaz de la sortie du compresseur du turbocompresseur (22) vers son entrée de sorte à augmenter le débit gazeux le traversant, et on réduit la quantité de gaz bipassant la turbine (21) de sorte à garantir l'absence de pompage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réduit la quantité de gaz bipassant la turbine (21) au minimum permettant de garantir l'absence du pompage. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'on retourne les gaz de la sortie du compresseur du turbocompresseur (22) vers son entrée via un premier conduit de dérivation muni d'une première vanne (6) pilotée en boucle ouverte. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on retourne les gaz de la sortie du compresseur du turbocompresseur (22) vers son entrée par l'ouverture de la première vanne (6) dans une position prédéfinie et fixe. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que qu'on retourne les gaz de la sortie du compresseur du turbocompresseur (22) vers son entrée par l'ouverture de la première vanne (6) selon une loi d'ouverture variable prédéfinie. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on bipasse la turbine (21) via un second conduit de dérivation muni d'une seconde vanne (5) pilotée en boucle fermée. 7. Procédé selon la revendication 5 et la revendication 6, caractérisé en ce qu'on retourne les gaz de la sortie du compresseur du turbocompresseur (22) vers son entrée par l'ouverture de la première vanne (6) dans une position variable selon une loi d'ouverture variable tendant à minimiser la réduction du taux de compression imposée au turbocompresseur (2) par la seconde vanne. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes appliqué à un dispositif de suralimentation comportant en outre un compresseur assisté (3), caractérisé en ce qu'on compense la baisse du taux de compression du turbocompresseur (2) par une augmentation du taux de compression du compresseur assisté (3). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fonctionnement du turbocompresseur (2) est défini par le débit volumique de gaz traversant le compresseur du turbocompresseur (22) et par le taux de compression du turbocompresseur (2). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fonctionnement du turbocompresseur (2) est défini par une fonction du régime moteur.