Brevet FR2979950A1 — publié le 20130315

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE EQUIPE D'UN TURBOCOMPRESSEUR [0001] L'invention concerne un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur pour comprimer un mélange gazeux à l'admission du moteur et une turbine de détente entraînant mécaniquement le compresseur. La turbine est entraînée par les gaz d'échappement issus de la chambre de combustion. Ce moteur peut en outre être équipé d'un circuit de recirculation pour récupérer des gaz d'échappement du moteur afin de les réinjecter à l'admission du moteur. Le mélange gazeux admis dans le compresseur est alors un mélange d'air frais et de gaz d'échappement recirculés. [0002] L'intérêt de reconduire à l'admission une partie des gaz d'échappement est de diminuer l'émission de substances polluantes telles que les oxydes d'azote dits NON. [0003] En effet, ces NON sont formés par la combinaison à haute température de l'oxygène et de l'azote contenus dans l'air frais alimentant le moteur. Ainsi, le fait de remplacer lors de certaines phases de fonctionnement du moteur, une partie de cet air par des gaz pauvres en oxygène, diminue la quantité d'oxygène disponible et ainsi la formation de NON. [0004] Ainsi, un moteur diesel suralimenté est alimenté d'une part en air par un conduit d'admission et d'autre part en gaz d'échappement par un circuit de recirculation de ces gaz. Dans le conduit d'admission, l'air frais est véhiculé au travers d'un filtre. Sa température et son débit massique sont mesurés respectivement par un capteur de température et un capteur de débit (débitmètre), préalablement à l'introduction au sein du compresseur de cet air. L'air compressé issu du compresseur est soit refroidi par le refroidisseur puis acheminé vers un doseur soit directement véhiculé jusqu'à ce doseur au moyen d'une conduite de dérivation, qui court-circuite le refroidisseur. L'air en sortie du doseur circule jusqu'à une jonction de mélange située en amont de l'admission du moteur. [0005] Un circuit est agencé pour prélever les gaz d'échappement directement à la sortie du moteur. A la sortie du moteur, ces gaz présentent une pression et une température élevées, et les achemine vers la jonction de mélange. Pour ces raisons ce circuit constitue un circuit de recirculation dit haute pression, haute température. Ce circuit comprend une vanne de régulation, dite vanne EGR (acronyme de l'expression anglaise Exhaust Gaz Recirculation qui signifie recirculation des gaz d'échappement), ainsi qu'un échangeur de chaleur. [0006] Les gaz issus du moteur qui ne sont pas recirculés sont acheminés vers la turbine du turbocompresseur, au moyen de laquelle ces gaz sont détendus. Ces gaz sortant de la turbine sont dits basse pression BP. Ces gaz sont épurés par l'intermédiaire d'un catalyseur et filtrés par un filtre à particule, préalablement à leur évacuation au niveau de l'échappement du véhicule. [0007] Au cours du développement de certains moteurs, s'est révélé un problème de pompage compresseur du fait de l'angle d'incidence de l'air sur les aubes qui aboutit à leur « décrochage ». Ceci induit, entre autres risques, un défaut acoustique de type bruit de souffle dans les phases de lâcher de pied (décélération brutale, changement de rapport). [0008] L'angle d'incidence critique (issu de la composition vectorielle entre vitesse axiale (débit) et vitesse tangentielle (compression)) est généralement atteint lorsque le débit est insuffisant pour une compression donnée, ce qui matérialise pour un turbocompresseur la limite de pompage (ou « surge line »). [0009] Le pompage du compresseur est ainsi initié par une variation de l'écoulement au niveau des aubes du compresseur (angle d'incidence) aboutissant ainsi au décollement de la couche limite, à une restriction de la section de passage entre deux aubes puis dans l'étage du compresseur, à une réduction voire inversion brutale des débits (l'effort communiqué au fluide ne compensant plus le gradient de pression), à une oscillation du débit d'air en amont et en aval ce qui génère le bruit caractéristique. [0010] Les causes d'un tel pompage sont notamment liées à une aérodynamique de la roue mal dimensionnée ou à une modification de l'angle d'incidence sur l'aube. [0011] Le pompage engendre alors des impacts sur la prestation et la qualité tels qu'une dégradation acoustique par l'apparition « d'aboiements », un endommagement du système palier pouvant conduire au départ sur l'huile (si le système palier est insuffisamment renforcé). [0012] Ce phénomène de pompage peut ainsi se manifester par une succession de décrochages qui se traduisent par autant de bouffées sonores. [0013] Un tel phénomène peut se comprendre de la manière suivante : le déclenchement du pompage (décrochage des aubes, dépendant de l'angle d'incidence de l'air sur les ailettes de la roue compresseur), est sensible d'une part à la dynamique du turbo (énergie à la turbine, conséquence de l'état de la boucle gaz et du contrôle commande), et d'autre part à l'écoulement d'air dans le compresseur. [0014] L'entretien (succession de décrochages mentionnée plus haut) et l'intensité du pompage découlent du couplage entre l'écoulement en sortie compresseur et l'acoustique infrasonore de la ligne d'air. Le phénomène est donc sensible aux caractéristiques géométriques de la ligne d'admission. [0015] De plus, le phénomène de pompage induit à chaque décrochage une onde de pression acoustique qui se propage dans la ligne amont compresseur. Il en résulte : [0016] - un rayonnement acoustique à la bouche du col d'entrée d'air, d'où une sensibilité certaine au TL de la ligne amont compresseur (TL = Transmission Loss = Facteur d'Atténuation Acoustique) [0017] - un rayonnement des composants de la ligne amont, d'où l'importance de leur transparence. [0018] L'invention vise à pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus en remédiant au phénomène de pompage, en particulier en n'entretenant pas ce pompage. [0019] L'invention porte ainsi sur un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur à aubes pour comprimer un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur et une turbine entraînant mécaniquement ce compresseur et située en sortie du moteur pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur, un refroidisseur d'air de suralimentation étant positionné entre le compresseur et le collecteur d'admission du moteur. [0020] Le conduit monté à la sortie du refroidisseur d'air de suralimentation présente une longueur L2 et un diamètre D2 choisis de sorte qu'un paramètre B soit au moins inférieur à une valeur seuil de B, en dessous de laquelle l'instabilité est contenue autour du point de fonctionnement, B étant un paramètre unique et adimensionné représentant la sensibilité du pompage à l'acoustique infra-sonore de la ligne en aval du refroidisseur d'air de suralimentation, et déterminé en se basant sur l'analyse d'un système simple représenté par le refroidisseur d'air de suralimentation couplé à un résonateur de Helmholtz, dont la formulation B = U / (2 ti50 L2) traduit le couplage entre : l'énergie de la roue compresseur, les modes propres de la ligne d'air, la masse de la colonne d'air, avec U la vitesse d'une aube du compresseur, avec co0 la pulsation propre du résonateur de Helmoltz, avec L2 la longueur du conduit. [0021] De manière avantageuse, un tel dimensionnement du conduit en aval du refroidisseur d'air de suralimentation et plus précisément de la partie de conduit à la sortie du refroidisseur d'air de suralimentation permet de limiter le phénomène de pompage. Un tel dimensionnement s'avère particulièrement avantageux lorsque la longueur du conduit en aval du refroidisseur d'air de suralimentation est très longue, par exemple supérieure à 900 mm. [0022] De manière avantageuse, en se basant sur la théorie de Greitzer, on propose de définir un paramètre B unique et adimensionné correspondant à la sensibilité du pompage à l'acoustique infra-sonore de la ligne en aval du refroidisseur d'air de suralimentation. Plus on tend vers un B le plus petit possible, plus on limite le pompage et ceci est atteint en dimensionnant les conduits en aval du refroidisseur d'air de suralimentation. [0023] Le principe de Greitzer repose à la base sur l'analyse d'un système simple, représentant un refroidisseur d'air de suralimentation couplé à un résonateur de Helmholtz (conduit débouchant sur un plénum). [0024] Il est classique en mécanique de faire pour un tel résonateur de Helmholtz l'analogie avec un système masse ressort. A un régime donné, le refroidisseur d'air de suralimentation exerce sur le résonateur une force (AP) dépendant du débit. On démontre que la stabilité d'un tel système est garantie si AP évolue de façon inversement proportionnelle au débit (ou par analogie, l'effort évolue inversement au déplacement, ce qui tend à ramener le système à sa position initiale). [0025] Dans le cas contraire (AP augmente avec débit), le système devient instable (au-delà de la limite de pompage pour un champ compresseur), ce qui illustre une situation d'amortissement négatif. [0026] La théorie de Greitzer met en évidence que cette instabilité peut être hiérarchisée selon le paramètre B, dont la formulation B = U / 2 ti50 L2 traduit le couplage entre : l'énergie de la roue compresseur (numérateur U : vitesse d'une aube), les modes propres de la ligne d'air (dénominateur co0 = pulsation propre du Helmoltz) la masse de la colonne d'air (dénominateur L2 = longueur du conduit). [0027] Cette formulation du paramètre B n'est pas sans rappeler par analogie le facteur 13 de décroissance exponentielle d'une onde sinusoïdale (courbe enveloppe de la réponse du système masse ressort). [0028] Dans les cas courants (amortissement positif), l'atténuation de la réponse impulsionnelle est d'autant plus rapide que 13 est élevé. [0029] Dans la présente invention (amortissement négatif), l'instabilité sera d'autant mieux contenue que 13 sera faible et il en est de même pour B. L'affaiblissement de B permet donc de contenir l'instabilité du système autour de son point de fonctionnement. [0030] L'écriture du paramètre de Greitzer sous la forme B --. Cte I..IIVI (analogie masse-ressort) illustre que cette optimisation passe par la mise au point des paramètres K et M, soit le volume du plenum et la masse de la colonne d'air. [0031] L'adaptation de ce principe à une ligne d'air automobile nécessite de ne plus considérer seulement un Helmoltz mais bien un système à plusieurs degrés de liberté, soit par analogie une succession de systèmes masse ressort. [0032] La formulation dynamique d'un tel système restant basée sur des matrices de Masse M et Raideur K, et des pulsations co0, le principe de Greitzer peut être décliné pour chaque mode (pour chaque valeur propre de la matrice [K-Mco2] diagonalisée). [0033] Ainsi, dans la présente invention, on calcule le B correspondant au 1 er mode propre de la ligne (valeur propre la plus faible). [0034] La recherche d'affaiblissement du B réalisée par PLEX numérique, permet de dégager une loi de dimensionnement de la ligne aval refroidisseur d'air de suralimentation, décrite par un choix adéquat des section/longueur du conduit entre refroidisseur d'air de suralimentation et répartiteur/collecteur d'admission pour différentes configurations en amont du refroidisseur d'air de suralimentation. [0035] On choisira ensuite la longueur et la section du conduit en fonction des paramètres environnementaux tels que l'encombrement du groupe motopropulseur. [0036] Selon une variante, le conduit monté à la sortie du refroidisseur d'air de suralimentation présente un diamètre inférieur ou égal à 38 mm. [0037] Selon encore une variante, le conduit monté à la sortie du refroidisseur d'air de suralimentation présente un diamètre supérieur ou égal à 15 mm. [0038] Selon encore une autre variante, la valeur seuil de B est inférieure ou égale à 0,6. [0039] Selon une variante, le moteur comprend un autre conduit monté à l'entrée du refroidisseur d'air de suralimentation et présentant une longueur L1 et un diamètre D1 choisis de sorte qu'un paramètre B1 soit au moins inférieur à une valeur seuil de B1, en dessous de laquelle l'instabilité est contenue autour du point de fonctionnement, B1 étant un paramètre unique et adimensionné représentant la sensibilité du pompage à l'acoustique infrasonore de la ligne en amont du refroidisseur d'air de suralimentation, et déterminé en se basant sur l'analyse d'un système simple représenté par le compresseur couplé à un résonateur de Helmholtz, dont la formulation B1 = U / (2 c0 L1) traduit le couplage entre : l'énergie de la roue compresseur, les modes propres de la ligne d'air, la masse de la colonne d'air, avec U la vitesse des aubes du compresseur, avec co0 la pulsation propre du résonateur de Helmoltz, avec L1 la longueur de l'autre conduit. [0040] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - La figure 1 représente une vue schématique d'une ligne d'air classique en aval du compresseur ; - La figure 2 représente une vue schématique d'une ligne d'air en aval du compresseur, avec un dimensionnement mis en oeuvre selon l'invention ; - La figure 3 représente un graphique illustrant un exemple d'évolution du paramètre B en fonction du diamètre du raccord entre le refroidisseur d'air de suralimentation et le répartiteur, et de la longueur de ce raccord, dans l'hypothèse où le raccord en amont du refroidisseur d'air de suralimentation n'est pas optimisé; - La figure 4 représente un graphique illustrant un exemple d'évolution du paramètre B en fonction du diamètre du raccord entre le refroidisseur d'air de suralimentation et le répartiteur, et de la longueur de ce raccord, dans l'hypothèse où le raccord en amont du refroidisseur d'air de suralimentation est optimisé ; - La figure 5 est un tableau comparatif des conditions de pompage selon l'état de la technique et selon un mode de réalisation de l'invention. [0041] Comme on peut le voir sur la figure 1, en sortie du compresseur 3 un conduit 1 permet le raccord vers le refroidisseur d'air de suralimentation 4. Le conduit 1 présente un diamètre D1 et une longueur L1. En sortie du refroidisseur d'air de suralimentation 4, un conduit 2 permet le raccord vers un répartiteur ou collecteur d'admission 5. Le conduit 2 présente un diamètre D2 et une longueur L2. [0042] Les diagrammes des figures 3 et 4 ont été définis grâce à des plans d'expérience, pour un moteur spécifique. Des abaques similaires pourront être réalisés pour tout autre type de moteur. [0043] La figure 3 illustre des valeurs de B pour différentes valeurs de D2 et L2 du conduit 2. Dans ce cas de figure, le dimensionnement du conduit 1 n'est pas optimisé avec L1=420mm et D1=45mm. En trait discontinu, on a illustré un dimensionnement du conduit 2 non optimisé. En trait continu, on a illustré un dimensionnement du conduit 2 optimisé. [0044] La figure 4 illustre des valeurs de B pour différentes valeurs de D2 et L2 du conduit 2. Dans ce cas de figure, le dimensionnement de L1 et D1 du conduit 1 est également optimisé avec L1=420mm et D1=35mm, au moyen d'une règle similaire utilisant le paramètre B. En trait discontinu, on a illustré un dimensionnement du conduit 2 non optimisé. En trait continu, on a illustré un dimensionnement du conduit 2 optimisé. [0045] Les figures 3 et 4 mettent en évidence la tendance suivante pour le conduit aval du refroidisseur d'air de suralimentation : [0046] - En règle générale pour réduire B, il faut réduire autant que possible le diamètre D2, [0047] - Plus la longueur L2 est importante, plus la réduction de diamètre D2 induit une réduction de B importante. L'invention s'avère particulièrement avantageuse si L2 est supérieur à 900mm, et encore plus avantageuse si L2 est supérieur à 1000mm. [0048] - Pour de petits diamètres D2, la longueur L2 a relativement peu d'influence : dans la configuration ayant fait l'objet de l'étude, D2 est avantageusement inférieur à 35 mm. [0049] - Pour de gros diamètres D2 (par exemple si D2 est supérieur à 50), une réduction de longueur L2 peut être efficace. [0050] Pour le cas de la figure 3, avec un conduit 1 en amont du refroidisseur d'air de suralimentation standard, il a été préconisé une diminution forte du diamètre D2 en aval du refroidisseur d'air de suralimentation 4, qui s'est vu réduit de 50mm à 35mm, réduisant le B d'environ 0,62 à environ 0,58. [0051] En outre, dans l'exemple de la figure 4, l'addition d'une réduction de diamètre D1 en amont et D2 en aval du refroidisseur d'air de suralimentation 4 conduit à un B de 0.55 ce qui est un gain supplémentaire notable (ce qui permet d'avoir un diamètre D1 en amont du refroidisseur d'air de suralimentation 4 un peu plus importante afin de limiter les pertes de charge). Pour avoir une même valeur de B en optimisant uniquement le conduit amont 1, un diamètre D1 de seulement 30 aurait ainsi été nécessaire. L'optimisation des conduits amont 1 et aval 2 peut permettre de diminuer la sensibilité du système au pompage avec un impact réduit sur les autres caractéristiques de la ligne d'admission (pertes de charges et thermique notamment). [0052] Le plan d'expérimentation sur moteur a démontré le potentiel de cette solution (maquette de principe avec un diamètre D1 de 35mm entre le compresseur 3 et le refroidisseur d'air de suralimentation 4 et D2 de 35mm entre le refroidisseur d'air de suralimentation 4 et le répartiteur 5), induisant une réduction du nombre d'oscillations de près de 40% sur le champ de fonctionnement moteur. Ces résultats sont illustrés par le tableau de la figure 5. AN représente la chute de régime moteur, N représente le régime moteur et PS représente la pression de suralimentation. Les résultats ont été obtenus en soumettant le moteur à un ensemble de situations susceptibles d'induire un pompage. EDT est la partie relative à un moteur selon l'état de la technique. INV est la partie relative à un moteur selon un mode de réalisation de l'invention. Les cases en blanc correspondent à une absence de pompage. Les cases à hachures verticales correspondent à une amorce de pompage non entretenue. Les cases à hachures horizontales correspondent à un pompage entretenu. [0053] Des embouts d'adaptation sont montés aux extrémités du conduit 2 pour lui permettre d'être connecté sur le refroidisseur d'air de suralimentation 4 et sur le raccord d'entrée du collecteur d'admission 5, présentant des raccords de diamètre classique. Ainsi, le diamètre du conduit 2 à la sortie du refroidisseur d'air de suralimentation 4 est en général inférieur au reste du diamètre de la ligne entre le refroidisseur d'air de suralimentation 4 et le collecteur d'admission 5. [0054] Le diamètre minimal du conduit 2 est avantageusement défini supérieur ou égal à 15 mm, de sorte à permettre l'alimentation nécessaire en air du moteur. REVENDICATIONS1. Moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur à aubes pour comprimer un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur et une turbine entraînant mécaniquement ce compresseur (3) et située en sortie du moteur pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur, un refroidisseur d'air de suralimentation (4) étant positionné entre le compresseur (3) et le collecteur d'admission du moteur, caractérisé en ce que le conduit (2) monté à la sortie du refroidisseur d'air de suralimentation (4) présente une longueur L2 et un diamètre D2 choisis de sorte qu'un paramètre B soit au moins inférieur à une valeur seuil de B, en dessous de laquelle l'instabilité est contenue autour du point de fonctionnement, B étant un paramètre unique et adimensionné représentant la sensibilité du pompage à l'acoustique infra-sonore de la ligne en aval du refroidisseur d'air de suralimentation, et déterminé en se basant sur l'analyse d'un système simple représenté par le refroidisseur d'air de suralimentation couplé à un résonateur de Helmholtz, dont la formulation B = U / (2 co L2) traduit le couplage entre : l'énergie de la roue compresseur, les modes propres de la ligne d'air, la masse de la colonne d'air, avec U la vitesse d'une aube du compresseur, avec coo la pulsation propre du résonateur de Helmoltz, avec L2 la longueur du conduit. 2. Moteur thermique selon la revendication 1, dans lequel le conduit (2) monté à la sortie du refroidisseur d'air de suralimentation (4) présente un diamètre inférieur ou égal à 38 mm. 3. Moteur selon la revendication 2, dans lequel le conduit (2) monté à la sortie du refroidisseur d'air de suralimentation (4) présente un diamètre supérieur ou égal à 15 mm. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conduit (2) monté à la sortie du refroidisseur d'air de suralimentation (4) présente une longueur L2 supérieure à 900 mm. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la valeur seuil de B est inférieure ou égale à 0,6. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un autre conduit (1) monté à l'entrée du refroidisseur d'air de suralimentation (4) et présentant une longueur L1 et un diamètre D1 choisis de sorte qu'un paramètre B1 soit au moins inférieur à une valeur seuil de B1, en dessous de laquelle l'instabilité est contenue autour du point de fonctionnement, B1 étant un paramètre unique et adimensionné représentant la sensibilité du pompage à l'acoustique infra-sonore de la ligne en amont du refroidisseur d'air de suralimentation, et déterminé en se basant sur l'analyse d'un système simple représenté par le compresseur couplé à un résonateur de Helmholtz, dont la formulation B1 = U / (2 co L1) traduit le couplage entre : l'énergie de la roue compresseur, les modes propres de la ligne d'air, la masse de la colonne d'air, avec U la vitesse des aubes du compresseur, avec coo la pulsation propre du résonateur de Helmoltz, avec L1 la longueur de l'autre conduit (1).