Brevet FR2981693A1 — publié le 20130426

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale la commande du 5 délestage des turbines des moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne comportant : - une ligne d'admission d'air frais équipée d'un compresseur, - une vanne d'admission pour réguler le débit d'air frais circulant dans la 10 ligne d'admission, - une ligne d'échappement de gaz brûlés équipée d'une turbine et, en parallèle de ladite turbine, d'une conduite de court-circuitage de ladite turbine, - une vanne de délestage pour réguler le débit de gaz brûlés circulant dans ladite conduite de court-circuitage, qui comprend une soupape engagée 15 dans ladite conduite de court-circuitage et un boîtier de pression délimitant deux chambres de pression séparées par une membrane reliée à ladite soupape, et - une unité de pilotage desdites vannes d'admission et de délestage. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE On connaît du document FR 2 564 145 un moteur à combustion interne 20 tel que précité, dans lequel le contournement de la turbine par la conduite de court-circuitage (appelée aussi conduite « waste-gate ») est prévu non seulement par sécurité, mais aussi pour optimiser le rendement du moteur. La vanne de délestage est ainsi prévue pour s'ouvrir lorsque le débit des gaz brûlés est particulièrement élevé afin d'éviter que l'ensemble de ces gaz ne 25 passe par la turbine, au risque de détériorer les aubes de la turbine et du compresseur. Elle est également prévue pour s'ouvrir lorsque le débit des gaz d'échappement est particulièrement réduit afin d'éviter que la turbine, dont l'efficacité est alors réduite, ne génère une contre-pression dans l'échappement 30 qui serait néfaste à l'évacuation des gaz brûlés (et donc néfaste au remplissage en air frais des cylindres). Dans ce document, la fermeture de la soupape de la vanne de délestage est commandée par un ressort de rappel prévu à cet effet. L'ouverture de cette soupape est en revanche pilotée grâce à la différence de pressions entre les deux 35 chambres de pression. L'une des chambres de pression de la vanne de délestage communique à cet effet avec la sortie du compresseur tandis que l'autre chambre de pression communique avec une pompe à vide. On dit alors de la vanne de délestage qu'elle est pilotée en surpression 5 et en dépression, selon qu'une utilise la dépression générée par la pompe à vide (dans le domaine de charge réduite) ou la surpression générée à la sortie du compresseur (dans le domaine de charge élevée) pour ouvrir la soupape. L'inconvénient de ce moteur à combustion interne est que la commande de sa vanne de délestage nécessite une pompe à vide. Cette solution s'avère 10 donc particulièrement onéreuse à mettre en pratique sur les moteurs à allumage commandé, puisque ces derniers sont généralement dépourvus de telles pompes à vide. OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier à l'inconvénient précité de l'état de la technique, la 15 présente invention propose un nouveau moteur à combustion interne, dans lequel la commande de la vanne de délestage est réalisée en surpression et en dépression, sans pour autant nécessiter de pompe à vide. Plus particulièrement, on propose selon l'invention un moteur à combustion interne tel que défini dans l'introduction, dans lequel il est prévu un 20 conduit de liaison qui prend naissance dans la ligne d'admission, en aval de ladite vanne d'admission, et qui débouche dans des moyens de distribution, et dans lequel ladite unité de pilotage est adaptée à piloter lesdits moyens de distribution pour mettre le conduit de liaison en communication avec, tour à tour, l'une et l'autre desdites chambres de pression. 25 Dans la présente invention, on tire parti du fait que la pression en aval de la vanne d'admission varie dans un large domaine de pressions. On y observe en effet une chute de pression inférieure à la pression atmosphérique (on parle de dépression) lorsque la vanne d'admission est quasiment fermée et que le moteur fonctionne donc à faible charge. On y observe également une forte hausse de 30 pression au-delà de la pression atmosphérique (on parle de surpression) lorsque la vanne d'admission s'ouvre et que le moteur fonctionne donc à haute charge. Par conséquent, grâce à l'invention, pour ouvrir la vanne de délestage lorsque le moteur fonctionne dans un domaine de charge réduite, l'unité de pilotage peut faire communiquer le conduit de liaison avec une première des chambres de pression afin de générer une dépression dans cette chambre. Au contraire, pour ouvrir la vanne de délestage lorsque le moteur fonctionne dans un domaine de charge élevée, l'unité de pilotage peut faire communiquer le conduit de liaison avec l'autre des chambres de pression afin de 5 générer une surpression dans cette chambre. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du moteur à combustion interne conforme à l'invention sont les suivantes : - lesdits moyens de distribution comprennent un distributeur piloté par ladite unité de pilotage ; 10 - ledit distributeur comprend une entrée qui communique avec ledit conduit de liaison et deux sorties qui communiquent respectivement avec lesdites chambres de pression ; - lesdits moyens de distribution comprennent un clapet anti-retour ; - ledit clapet anti-retour comporte une entrée qui communique avec 15 l'extérieur, et une sortie qui communique avec l'une desdites chambres de pression ; - ledit clapet anti-retour est autonome ; - ledit clapet anti-retour est piloté par ladite unité de pilotage ; - ladite vanne de délestage comporte un moyen de rappel de la soupape 20 soit en position fermée, soit en position ouverte. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. 25 Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique du moteur à combustion interne selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe du corps de la vanne de délestage du moteur à combustion interne de la figure 1 ; 30 - la figure 3 est une vue schématique en perspective de la vanne de délestage du moteur à combustion interne de la figure 1 ; - les figures 4 et 5 sont des graphiques illustrant, en trait continu, les variations de pression dans le répartiteur d'air du moteur à combustion interne de la figure 1, et, en pointillés, les variations de l'effort de pression exercé sur la membrane de la vanne de délestage du moteur à combustion interne de la figure 1. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un moteur à combustion interne 1 de véhicule automobile, qui comprend un bloc-moteur 10 pourvu d'un vilebrequin et de quatre pistons (non représentés) logés dans quatre cylindres 11. Ce moteur est ici à allumage commandé (Essence). Il pourrait également être à allumage par compression (Diesel). En amont des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'admission 20 d'air frais, 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, un refroidisseur d'air principal 23 qui refroidit cet air frais comprimé et une vanne d'admission 25 (formée ici par une vanne papillon) pour réguler le débit d'air frais y circulant. 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. La ligne d'admission 20 comporte également une conduite de décharge 26 du compresseur 22, qui prend naissance entre le filtre à air 21 et l'entrée du compresseur 22 et qui débouche entre la sortie du compresseur 22 et le refroidisseur d'air principal 23. Cette conduite de décharge 26 est équipée d'une vanne de décharge 27 pour réguler le débit d'air frais y circulant. Elle permet, notamment lorsque le conducteur cesse subitement d'accélérer, d'éviter que l'air frais ne soit trop comprimé par le compresseur 22 et qu'il ne génère des ondes de pression destructrices. En sortie des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'échappement 30 de gaz brûlés. Cette ligne d'échappement 30 comporte un collecteur d'échappement 31 dans lequel débouchent les gaz qui ont été préalablement brûlés dans les cylindres 11. Cette ligne d'échappement 30 s'étend jusqu'à un silencieux d'échappement 34. Elle comporte par ailleurs, entre le collecteur d'échappement 31 et le silencieux d'échappement 34, une turbine 32 qui est entraînée en rotation par le flux de gaz brûlés pour actionner le compresseur 22, et un pot catalytique 33 de traitement des gaz brûlés qui renferme ici un catalyseur d'oxydation 33A et un filtre à particules 33B. La ligne d'échappement 30 comporte également une conduite de court- circuitage 35 de la turbine 32, qui prend naissance entre le collecteur d'échappement 31 et l'entrée de la turbine 32 et qui débouche entre la sortie de la turbine 32 et le pot catalytique 33. Cette conduite de court-circuitage 35 est équipée d'une vanne de délestage 100 pour réguler le débit de gaz brûlés y circulant. Elle permet si nécessaire de directement insuffler tout ou partie des gaz brûlés qui sortent du collecteur d'échappement 31 dans le pot catalytique 33 pour éviter qu'ils n'entraînent la turbine 32 en rotation. L'architecture de la vanne de délestage 100 sera décrite plus en détail dans la suite de cet exposé. Le moteur à combustion interne 1 comporte aussi ici une ligne de recirculation 40 des gaz brûlés, également appelée ligne EGR, qui prend naissance dans la ligne d'échappement 30, directement dans ou à la sortie du collecteur d'échappement 31, et qui débouche dans la ligne d'admission 20, entre le refroidisseur d'air principal 23 et le répartiteur d'air 24. Cette ligne EGR 40 permet de prélever une partie des gaz brûlés circulant dans la ligne d'échappement 30 (appelés gaz EGR), pour la réinjecter dans les cylindres 11 afin de réduire les émissions polluantes du moteur. Cette ligne EGR 40 comporte une vanne EGR 41 de régulation du débit de gaz EGR et un refroidisseur EGR 42 pour refroidir les gaz EGR. Le moteur à combustion interne 1 comporte par ailleurs une ligne d'injection 50 de carburant dans les cylindres 11. Cette ligne d'injection 50 comporte un réservoir de carburant 51 et une pompe d'injection 52 agencée pour prélever le carburant dans le réservoir 51 afin de l'amener sous pression dans un rail de distribution 53. Cette ligne d'injection 50 comporte en outre quatre injecteurs 54 dont les entrées communiquent avec le rail de distribution 53 et dont les sorties débouchent respectivement dans les quatre cylindres 11. Pour piloter les différents organes du moteur à combustion interne 1 et notamment la vanne de délestage 100 de la conduite de court-circuitage 35, il est prévu un calculateur 60 comportant un processeur (CPU), une mémoire vive (RAM), une mémoire morte (ROM), des convertisseurs analogiques-numériques (A/D), et différentes interfaces d'entrée et de sortie. Grâce à ses interfaces d'entrée, le calculateur 60 est adapté à recevoir des signaux d'entrée provenant de différents capteurs. Ces signaux d'entrée sont relatifs au fonctionnement du moteur (charge du moteur, régime du moteur, température d'eau, ...). Grâce à une sonde de richesse 37 implantée à l'entrée du pot catalytique 33 et à une sonde de pression 38 implantée dans la ligne d'admission 20, directement en aval de la vanne d'admission 25, le calculateur 60 est en particulier adapté à mesurer en continu des valeurs de pression d'air frais et de gaz brûlés. Dans sa mémoire vive, le calculateur 60 mémorise alors en particulier ces valeurs de pression. Grâce à une cartographie prédéterminée sur banc d'essais et mémorisée dans sa mémoire morte, le calculateur 60 est adapté à générer, pour chaque 10 condition de fonctionnement du moteur, des signaux de sortie. Enfin, grâce à ses interfaces de sortie, le calculateur 60 est adapté à transmettre ces signaux de sortie aux différents organes du moteur, notamment à la vanne de délestage 100 située dans la conduite de court-circuitage 35, pour les piloter en conséquence. 15 Sur la figure 2, on a représenté le corps 110 de la vanne de délestage 100. Le corps 110 de cette vanne comporte un boîtier 111 extérieur, qui loge intérieurement une soupape 115. Le boîtier 111 se présente en deux parties inférieure 111A et supérieure 20 111B. La partie inférieure 111A définit intérieurement un canal coudé 117 dont les entrée et sortie sont bordées par des brides de fixation (non visibles sur les figures). Grâce à ces brides de fixation, le canal coudé 117 peut être raccordé au reste de la conduite de court-circuitage 35 pour faire intégralement partie de cette 25 dernière. Comme le montre la figure 2, le canal coudé 117 forme un épaulement 119, appelé siège de soupape, sur lequel la tête évasée de la soupape 115 peut venir reposer afin de fermer la conduite de court-circuitage 35. La partie supérieure 111B du boîtier 111 est quant à elle creuse et 30 renferme une membrane 114 qui délimite deux chambres de pression 112, 113. La chambre supérieure, située à l'opposé de la tête évasée de la soupape 115, est appelée chambre haute 112. L'autre chambre est appelée chambre basse 113. Chacune de ces chambres 112, 113 présente un orifice d'entrée 112A, 113A (figure 3). Le bord circulaire de la membrane 114 est ici fixé au boîtier 111 tandis que le centre de cette membrane 114 est laissé mobile. La queue de la soupape 115 est alors fixée au centre de cette membrane 114. On comprend ainsi qu'une dépression dans la chambre haute 112 ou une surpression dans la chambre de suppression 113 permettra de gonfler la membrane 114 vers le haut et donc de soulever la soupape 115 afin d'ouvrir la conduite de court-circuitage 35. Pour assurer la fermeture de cette conduite de court-circuitage 35, il est par ailleurs prévu dans la chambre haute 112 un ressort de compression 116 en appui contre la membrane 114 afin de rappeler la tête évasée de la soupape 115 contre son siège. La raideur de ce ressort de compression 116 et la hauteur de la chambre haute 112 sont ici choisies de telle manière que ce ressort exerce un effort de fermeture sur la soupape 115 d'environ 50 Newton. Il permet donc de maintenir la conduite de court-circuitage 35 fermée tant que la différence de pressions entre les deux chambres 112, 113 n'induit pas un effort sur la membrane 114 supérieur à 50 Newton. Bien entendu, on pourrait par exemple prévoir de remplacer ce ressort 20 de compression par un ressort de traction logé dans la chambre basse et raccordé par ses extrémités à la soupape et à la paroi inférieure de la chambre basse. Selon l'invention, il est prévu un conduit de liaison 36 (figure 1) prenant naissance dans la ligne d'admission 20, en aval de ladite vanne d'admission 25, et débouchant dans des moyens de distribution 130, 150 (figure 3) qui sont pilotés 25 par le calculateur 60 de telle manière qu'ils peuvent mettre le conduit de liaison 36 en communication avec l'une ou l'autre des chambres de pression 112, 113, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. Le conduit de liaison 36 prend plus précisément naissance à proximité de la vanne d'admission 25, de manière que la pression des gaz dans ce conduit 30 varie très fortement, par exemple entre 0,2 et 2 bars, selon les conditions de fonctionnement du moteur. Ainsi, comme le montre la courbe Cl représentée en trait continu sur les figures 4 et 5, lorsque le conducteur accélère et commande la montée en charge progressive du moteur, la pression Poen dans ce conduit de liaison 36 monte linéairement. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté sur les figures, les moyens de distribution comprennent un distributeur bistable 130 piloté par le calculateur 60, et un clapet anti-retour 150 autonome (c'est-à-dire non piloté). Le distributeur 130 est ici un distributeur 3/2 bistable à commande électrique. Le clapet anti-retour 150 est quant à lui ici un clapet à bille normalement fermé. Le tarage de son ressort est fonction du besoin, en ce sens qu'il conditionne l'effort pneumatique maximum résidant dans la chambre haute 112 et 10 donc l'effort de plaquage de la soupape 115 contre son siège. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 3, le distributeur 130 comprend une entrée 131 dans laquelle débouche le conduit de liaison 36 et deux sorties 132, 133 respectivement connectées aux orifices d'entrée 112A, 113A des deux chambres de pression 112, 113. 15 De cette manière, le distributeur 130 peut mettre l'une ou l'autre des chambres de pression 112, 113 à la même pression Pca que le conduit de liaison 36. Dans ce mode de réalisation, le clapet anti-retour 150 comporte une entrée 151 qui communique avec l'extérieur pour être à la pression atmosphérique 20 Po, et une sortie 152 qui est connectée à l'orifice d'entrée 112A de la chambre haute 112. De cette manière, la pression des gaz dans la chambre haute 112 est limitée à une valeur fonction du tarage du ressort du clapet. Plus le tarage est fort, plus la pression stockée dans la chambre haute est importante et s'additionne à l'effort exercé par le ressort de compression 116 pour maintenir la soupape 115 25 contre son siège 119. On comprend ainsi que la pression à atteindre dans la chambre basse 113 pour ouvrir la soupape 115 est d'autant plus importante que le tarage du ressort du clapet est élevé. En fonctionnement, lorsque la pression mesurée dans la ligne d'admission 20 est comprise (sur l'exemple représenté) entre 0,2 et 0,8 Bar (ce 30 qui signifie que la charge du moteur est réduite), le distributeur 130 fait communiquer le conduit de jonction 36 avec la chambre haute 112. Comme le montre la courbe C2 représentée en pointillés sur les figures 4 et 5, dans la partie où t est compris entre 0 et 4, la différence de pressions entre les deux chambres de pression 112 (en dépression) et 113 (proche de la pression atmosphérique Po) génère alors une force permettant de contrer l'effort de plaquage appliqué par le ressort de compression 116 (qui est ici de 50 Newton), ce qui permet de soulever la soupape 115 et d'ouvrir la conduite de courtcircuitage 35. Ainsi, la turbine 32 ne génère pas de contre-pression à l'échappement qui serait préjudiciable au remplissage des cylindres 11. Puis, lorsque la pression mesurée dans la ligne d'admission 20 est comprise entre 0,8 et 1,2 Bar (ce qui signifie que la charge du moteur est intermédiaire), le distributeur 130 fait alternativement communiquer le conduit de jonction 36 avec les deux chambres de pression 112, 113 pour équilibrer au mieux la pression dans ces deux chambres. La fermeture de la soupape 115 se fait alors par le ressort 116. Comme le montre la courbe C2 représentée en pointillés sur les figures 4 et 5, dans la partie où t est compris entre 4 et 10, la différence de pressions entre les deux chambres de pression 112, 113 génère alors une force qui permet de participer au blocage de la soupape 115 contre son siège 119 de manière à fermer la conduite de court-circuitage 35. Ainsi, la turbine 32 fonctionne de manière optimale. Enfin, lorsque la pression mesurée dans la ligne d'admission 20 est comprise entre 1,2 et 1,8 Bar (ce qui signifie que la charge du moteur est élevée), le distributeur 130 fait communiquer le conduit de jonction 36 soit avec l'une, soit avec l'autre des deux chambres de pression 112, 113, selon que l'utilisation de la turbine 32 présente ou non un danger. Cette phase permet la régulation de la pression de suralimentation par le délestage de la turbine. Par exemple, lorsque la pression mesurée à la sortie de la turbine 32 dépasse un seuil de sécurité prédéterminé, on peut prévoir de piloter le distributeur 130 pour qu'il fasse communiquer le conduit de jonction 36 avec la chambre basse 113. Dans ce cas, le clapet anti-retour 150 permet de maintenir une pression réduite (égale à la pression déterminée par le tarage du ressort) dans la chambre haute 112. La différence de pressions entre les deux chambres de pression 112, 113 génère alors une force qui permet de soulever la soupape 115 et d'ouvrir la conduite de court-circuitage 35 (voir figure 4). Au contraire, tant que la pression mesurée à la sortie de la turbine 32 reste inférieure à ce seuil de sécurité, on peut prévoir de piloter le distributeur 130 pour qu'il fasse communiquer le conduit de jonction 36 avec la chambre haute 112, de manière que la pression dans la chambre haute 112 s'additionne à l'effort de plaquage engendré par le ressort de compression 116, ce qui permet de maintenir la conduite de court-circuitage 35 fermée (voir figure 5, à partir du point 8). La pression maximale admissible dans la chambre haute 112 dépend du tarage du ressort du clapet anti-retour 150. La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. En particulier, on pourrait prévoir que la membrane de la vanne de délestage soit reliée indirectement à la soupape, par un mécanisme de tringlerie ou de pignonnerie. On pourrait par ailleurs prévoir de remplacer le clapet anti-retour par un distributeur piloté par le calculateur. REVENDICATIONS1. Moteur à combustion interne (1) comportant : - une ligne d'admission (20) d'air frais équipée d'un compresseur (22), - une vanne d'admission (25) pour réguler le débit d'air frais circulant dans la ligne d'admission (20), - une ligne d'échappement (30) de gaz brûlés équipée d'une turbine (32) et, en parallèle de ladite turbine (32), d'une conduite de court-circuitage (35) de ladite turbine (32), - une vanne de délestage (100) pour réguler le débit de gaz brûlés circulant dans ladite conduite de court-circuitage (35), qui comprend une soupape (115) engagée dans ladite conduite de court-circuitage (35) et un boîtier de pression (111) délimitant deux chambres de pression (112, 113) séparées par une membrane (114) reliée à ladite soupape (115), et - une unité de pilotage (60) desdites vannes d'admission (25) et de délestage (100), caractérisé en ce qu'il comporte un conduit de liaison (36) qui prend naissance dans la ligne d'admission (20), en aval de ladite vanne d'admission (25), et qui débouche dans des moyens de distribution (130, 150), et en ce que ladite unité de pilotage (60) est adaptée à piloter une partie au moins desdits moyens de distribution (130, 150) pour mettre le conduit de liaison (36) en communication avec l'une ou l'autre desdites chambres de pression (112, 113). 2. Moteur à combustion interne (1) selon la revendication précédente, dans lequel lesdits moyens de distribution comprennent un distributeur (130) piloté par ladite unité de pilotage (60). 3. Moteur à combustion interne (1) selon la revendication 2, dans lequel ledit distributeur (130) comprend une entrée (131) qui communique avec ledit conduit de liaison (36) et deux sorties (132, 133) qui communiquent respectivement avec lesdites chambres de pression (112, 113). 4. Moteur à combustion interne (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de distribution comprennent un clapet anti-retour (150). 5. Moteur à combustion interne (1) selon les revendications 3 et 4, danslequel ledit clapet anti-retour (150) comporte une entrée (151) qui communique avec l'extérieur, et une sortie (152) qui communique avec l'une desdites chambres de pression (112, 113). 6. Moteur à combustion interne (1) selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel ledit clapet anti-retour (150) est autonome. 7. Moteur à combustion interne (1) selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel ledit clapet anti-retour est piloté par ladite unité de pilotage. 8. Moteur à combustion interne (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite vanne de délestage (100) comporte un moyen de rappel (116) de la soupape (115) soit en position fermée, soit en position ouverte.