Brevet FR3028560A1 — publié le 20160520

ARCHITECTURE DE MOTEUR THERMIQUE SURALIMENTE MUNIE D'UN DISPOSITIF DE STOCKAGE DE PRESSION [0001] La présente invention porte sur une architecture de moteur thermique munie d'un dispositif de stockage de pression. L'invention trouve une application particulièrement 5 avantageuse avec les moteurs thermiques de véhicule automobile équipés d'un turbocompresseur pour leur suralimentation. [0002] Pour favoriser les économies d'énergie et minimiser les émissions de dioxyde de carbone et de particules polluantes, dans une perspective tant réglementaire que consumériste, on tend à réduire la cylindrée des moteurs tout en cherchant à conserver 10 une puissance au moins identique à celle des moteurs de cylindrée plus élevée (principe dit de "downsizing" en anglais). [0003] Afin de compenser la perte de cylindrée, les moteurs à cylindrée réduite sont généralement suralimentés au moyen d'un turbocompresseur. En effet, dans une architecture classique 1 de moteur suralimenté illustrée par la figure 1, un 15 turbocompresseur 2 comprend un compresseur 3 et une turbine 4. Le compresseur 3 permet de comprimer l'air d'admission afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur 5. A cet effet, le compresseur 3 est disposé sur le conduit d'admission 8 en amont du moteur 5. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine 4 disposée sur le conduit d'échappement 9, laquelle entraîne alors en rotation le 20 compresseur 3 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement. [0004] Afin de maintenir la densité de l'air acquise en sortie du compresseur 3, un échangeur de chaleur 10 apte à refroidir l'air circulant dans le conduit d'admission 8 est monté en aval du compresseur 3. Cet échangeur de chaleur 10 est habituellement appelé Refroidisseur d'Air de Suralimentation (RAS), même s'il est possible qu'il n'y ait pas que 25 de l'air qui y circule. En effet, dans certains cas, il peut y circuler un mélange air et de gaz d'échappement issus d'un système de recirculation des gaz d'échappement (dit système "EGR" pour "Exhaust Gaz Recirculation" en anglais). [0005] Dans une situation de vie particulière, après une pleine charge, le conducteur relâche l'accélérateur pour ralentir en gardant un filet de gaz. L'air dans le conduit 30 d'admission est encore sous pression alors que la demande moteur en termes de débit est très faible (le papillon d'arrivée des gaz 12 est presque fermé), ce qui amène le 3028560 2 compresseur 3 à travailler dans une zone de fort taux de compression et faible débit qui est typique du pompage. Or, le pompage est une situation qui présente deux inconvénients majeurs, à savoir le bruit de pompage que peut entendre le conducteur, ainsi que l'usure prématurée du turbocompresseur 2 due au pompage. [0006] Pour éviter ces désagréments, on ajoute une boucle d'alimentation secondaire 13 associée à une vanne 14, dite de vanne de décharge, située en aval du compresseur 3. Lorsque la vanne de décharge 14 est ouverte, la pression de l'air dans le conduit d'admission 8 en aval du compresseur 3 peut s'évacuer en amont du compresseur 3. Cela permet au compresseur 3 de travailler dans une meilleure zone de fonctionnement, et d'éviter les désagréments précités. [0007] L'inconvénient de tels moteurs est qu'ils présentent un retard sur le temps de réponse en couple lors d'une phase transitoire d'accélération. Ce retard est dû à l'inertie du système de suralimentation. En effet, lorsque le conducteur souhaite obtenir du couple, il appuie sur la pédale d'accélérateur, ce qui a pour effet d'augmenter la quantité d'air entrant dans les cylindres, et par suite la quantité de gaz d'échappement. Ce débit de gaz d'échappement va, petit à petit, entraîner l'accélération de la turbine 4 afin d'augmenter le taux de compression du compresseur 3 et permettre d'obtenir plus d'air entrant dans les cylindres, c'est-à-dire plus de couple. Il existe donc un décalage entre le moment où le conducteur appuie sur la pédale d'accélérateur et le moment où le turbocompresseur se met en fonctionnement. [0008] Le document US2011271672 enseigne l'utilisation d'un dispositif de stockage de la pression positionné en aval d'un piquage aval du conduit de recirculation. Un tel système n'est toutefois pas adapté à la récupération d'énergie lors d'une phase de fonctionnement particulière du véhicule. [0009] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une architecture de moteur thermique suralimenté comportant: - un turbocompresseur comprenant un compresseur disposé sur un conduit d'admission dudit moteur thermique, - une boucle d'alimentation secondaire ayant un premier piquage sur ledit conduit d'admission, dit piquage amont, situé en amont dudit compresseur et un deuxième piquage sur ledit conduit d'admission, dit piquage aval, situé en aval dudit compresseur, caractérisée en ce que ladite architecture comporte en outre un dispositif de stockage de pression monté entre ledit compresseur et ledit piquage aval de ladite boucle 3028560 3 d'alimentation secondaire, ledit dispositif de stockage de pression étant adapté à stocker un volume de gaz sous pression suite à un relâchement d'un accélérateur du véhicule pour restituer ce volume sous pression dans une phase d'accélération ultérieure. [0010] Cette invention permet ainsi d'améliorer les prestations transitoires du 5 turbocompresseur, en utilisant l'énergie disponible lors d'un relâchement de l'accélérateur tout en gardant les mêmes caractéristiques du moteur thermique en pleine charge. [0011] Selon une réalisation, ladite architecture comporte en outre une unité de contrôle apte à commander une première vanne, dite vanne d'alimentation, située au niveau dudit piquage aval, ainsi qu'une deuxième vanne, dite vanne de stockage, associée audit 10 dispositif de stockage de pression. [0012] Selon une réalisation, ladite unité de contrôle est configurée pour ouvrir ladite vanne de stockage lors d'un relâchement de l'accélérateur du véhicule, tout en fermant ladite vanne d'alimentation, en sorte que ledit dispositif de stockage de pression peut emmagasiner du gaz sous pression. 15 [0013] Selon une réalisation, ladite unité de contrôle est configurée pour ouvrir ladite vanne d'alimentation, après une durée calibrée, de manière à mettre en communication ladite boucle d'alimentation secondaire avec une portion dudit conduit d'admission située en aval dudit piquage aval et maintenir ouverte ladite vanne de stockage, en sorte que ledit compresseur comprime de l'air d'admission emmagasiné dans ledit dispositif de 20 stockage de pression jusqu'à une pression de pleine charge. [0014] Selon une réalisation, ladite unité de contrôle est configurée pour fermer ladite vanne de stockage dès que la pression devient supérieure à la pression de pleine charge et pour ouvrir ladite vanne d'alimentation de manière à mettre en communication ladite boucle d'alimentation secondaire avec ledit conduit d'admission. 25 [0015] Selon une réalisation, ladite unité de contrôle est configurée pour commander, lors d'une demande de couple, une fermeture de ladite vanne d'alimentation et l'ouverture de ladite vanne de stockage de manière à libérer le volume de gaz sous pression contenu dans ledit dispositif de stockage de pression. [0016] Selon une réalisation, ledit dispositif de stockage de pression a une capacité de 30 l'ordre de 1.5 Litres. 3028560 4 [0017] Selon une réalisation, ladite architecture comporte un échangeur de chaleur monté en aval dudit compresseur. [0018] Selon une réalisation, ledit échangeur de chaleur est monté en amont dudit dispositif de stockage de pression. Cela permet d'emmagasiner de l'air refroidi par le 5 refroidisseur, donc en plus grande quantité par rapport à de l'air chaud. [0019] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0020] La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'une architecture 10 de moteur thermique suralimenté selon l'état de la technique; [0021] La figure 2 est une représentation schématique d'une architecture de moteur thermique suralimenté selon la présente invention; [0022] Les figures 3a à 3d illustrent les différentes phases de fonctionnement de l'architecture de la figure 2 lors d'un relâchement de l'accélérateur permettant au dispositif 15 de stockage de pression d'emmagasiner du gaz sous pression; [0023] La figure 4 illustre le fonctionnement de l'architecture de la figure 2 lors de l'utilisation de la pression stockée au cours d'une phase d'accélération. [0024] La figure 5 est une représentation schématique illustrant une variante de réalisation de l'architecture selon la présente invention. 20 [0025] Sur les figures 2 à 5, les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. Dans la description qui suit les termes relatifs de type "amont" et "aval" sont entendus par rapport au sens d'écoulement des gaz dans les conduits d'admission et d'échappement du moteur. [0026] La figure 2 montre une architecture 20 selon la présente invention comportant un 25 moteur thermique 21 suralimenté par un turbocompresseur 22 comprenant un compresseur 23 ainsi qu'une turbine 25. Le compresseur 23 est disposé en amont du moteur 21 sur le conduit d'admission 26 en relation avec un répartiteur d'admission 29 du moteur 21. La turbine 25 est disposée sur le conduit d'échappement 30 en relation avec le collecteur d'échappement 31. 3028560 5 [0027] L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine 25. La turbine 25 entraîne alors en rotation le compresseur 23 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement, ce qui permet de comprimer l'air dans les cylindres du moteur 21. [0028] Un échangeur de chaleur 34 apte à refroidir l'air circulant dans le conduit 5 d'admission 26 est monté en aval du compresseur 23 et en amont d'un papillon d'arrivée des gaz 27. Cet échangeur de chaleur 34 est habituellement appelé Refroidisseur d'Air de Suralimentation (RAS), même s'il est possible qu'il n'y ait pas que de l'air qui y circule. En effet, dans certains cas, il peut y circuler un mélange air et de gaz d'échappement issus d'un système de recirculation des gaz d'échappement non représenté sur les figures (dit 10 système "EGR" pour "Exhaust Gaz Recirculation" en anglais). [0029] Par ailleurs, un bloc de dépollution 28 comportant par exemple un système de réduction catalytique sélective ainsi qu'un filtre à particules pourra être installé sur le conduit d'échappement 30. [0030] Une boucle d'alimentation secondaire 35 comprend un premier piquage 38 sur le 15 conduit d'admission 26, dit piquage amont, situé en amont du compresseur 23 et un deuxième piquage 39 sur le conduit d'admission 26, dit piquage aval, situé en aval du compresseur 23. Une vanne 40 de type trois voies, dite vanne d'alimentation, associée à la boucle d'alimentation secondaire 35 est située au niveau du piquage aval 39. [0031] En outre, un dispositif de stockage de pression 41 est monté entre le 20 compresseur 23 et le piquage aval 39 de la boucle d'alimentation secondaire 35. Comme cela est expliqué plus en détails ci-après, le dispositif de stockage de pression 41 est adapté à stocker un volume de gaz, en l'occurrence de l'air qui pourra le cas échéant comprendre une partie de gaz d'échappement recyclés, sous pression suite à un relâchement de l'accélérateur pour restituer ce volume de gaz sous pression dans une 25 phase d'accélération ultérieure. A cet effet, le dispositif de stockage de pression 41 est associée à une vanne 42, dite vanne de stockage. [0032] Une unité de contrôle 45 assure une commande des différents éléments de l'architecture, et en particulier de la vanne d'alimentation 40 et de la vanne de stockage 42. Cette unité de contrôle 45 est également en relation avec un capteur de pression 46 30 installé entre le compresseur 23 et le piquage aval 39. L'unité de contrôle 45 reçoit également un signal relatif à l'état de l'accélérateur 47 du véhicule prenant en l'occurrence la forme d'une pédale d'accélérateur. 3028560 6 [0033] On décrit ci-après en référence avec les figures 3a à 3d, le fonctionnement de l'architecture moteur 20. Sur les figures, les flèches F indique le sens de circulation de l'air au niveau de l'admission. [0034] Comme cela est représenté sur la figure 3a, pendant un fonctionnement à pleine 5 charge du moteur 21, l'unité de contrôle 45 commande la fermeture de la vanne d'alimentation 40 ainsi que la fermeture de la vanne de stockage 42. Le système réagit comme un moteur conventionnel, c'est-à-dire que l'air compressé est envoyé vers le répartiteur d'admission 29 après avoir été refroidi par l'échangeur 34. La boucle d'alimentation secondaire 35 n'a alors pas d'influence sur le 10 fonctionnement du moteur thermique 21. [0035] Comme cela est représenté sur la figure 3b, lors d'un relâchement de la pédale d'accélérateur 47 détecté par l'unité de contrôle 45, l'unité de contrôle 45 commande une ouverture de la vanne de stockage 42, mais maintient fermée la vanne d'alimentation 40, de manière à isoler la boucle d'alimentation secondaire 35 par rapport au conduit 15 d'admission 26. Le dispositif de stockage de pression 41 peut ainsi commencer à emmagasiner du gaz sous pression compte tenu du fait que le conduit d'admission 26 est encore sous pression alors que la demande moteur en termes de débit est très faible. [0036] Comme cela est illustré sur la figure 3c, après une durée calibrée, l'unité de contrôle 45 commande une ouverture de la vanne d'alimentation 40 de manière à mettre 20 en communication la boucle d'alimentation secondaire 35 avec une portion du conduit d'admission 26 située en aval du piquage aval 39, tout en isolant la portion du conduit d'admission 26 située en amont du piquage aval 39 par rapport à la portion du conduit d'admission 26 située en aval du piquage aval 39. Cela permet d'une part de libérer la pression du distributeur et d'autre part de laisser le moteur 21 aspirer de l'air depuis le 25 conduit d'admission 26. La vanne de stockage 42 reste ouverte pendant cette phase, en sorte que le compresseur 23 comprime de l'air d'admission qui est emmagasiné dans le dispositif de stockage de pression 41 jusqu'à une pression de pleine charge. Cette pression de pleine charge est en l'occurrence de l'ordre de 3 bars, soit 0.3 MegaPascal. [0037] Comme cela est illustré sur la figure 3d, dès que le capteur de pression P2 30 retourne une pression supérieure à la pression de pleine charge, l'unité de contrôle 45 commande une fermeture de la vanne de stockage 42. L'unité de contrôle 45 commande en outre l'ouverture de la vanne d'alimentation 40 en position trois voies de manière à mettre en communication la boucle d'alimentation secondaire 35 avec la portion du conduit 3028560 7 d'admission 26 située en aval du piquage aval 39 et avec la portion du conduit d'admission 26 située en amont du piquage aval 39. La boucle d'alimentation secondaire 35 peut alors assurer ainsi la fonction de décharge en permettant à la pression de l'air dans le conduit d'admission 26 en aval du compresseur 23 de s'évacuer en amont du compresseur 23. 5 [0038] On décrit ci-après, en référence avec la figure 4, la réutilisation de la pression stockée par le dispositif de stockage de pression 41, au cours d'une phase d'accélération lors d'une demande de couple ultérieure. [0039] Plus précisément, lors d'un appui sur la pédale d'accélérateur correspondant à une demande de couple de la part du conducteur, l'unité de contrôle 45 commande une 10 fermeture de la vanne d'alimentation 40 et l'ouverture de la vanne de stockage 42. Cela permet de libérer le volume contenu dans le dispositif de stockage 41 à la pression de pleine charge, en l'occurrence de 0.3 MegaPascal. La boucle de suralimentation monte ainsi en pression beaucoup plus rapidement qu'avec un moteur conventionnel. L'invention permet ainsi d'améliorer les prestations transitoires du turbocompresseur 22, en utilisant 15 l'énergie stockée préalablement lors du relâchement de la pédale d'accélérateur, tout en gardant les mêmes caractéristiques du moteur thermique 21 en pleine charge. [0040] Dans un exemple de réalisation, pour un moteur d'1.6 Litres ayant une pression de pleine charge de l'ordre de 0.3 MagaPascal, on choisit d'utiliser un dispositif de stockage de pression 41 ayant un volume d'environ 1.5 Litres pour assurer un transitoire. 20 [0041] Comme cela est représenté sur la figure 2, l'échangeur de chaleur 34 est positionné en aval du dispositif de stockage de pression 41. Toutefois, dans une variante de réalisation illustrée sur la figure 5, l'échangeur de chaleur 34 pourra être installé en amont du dispositif de stockage de pression 41. Une telle configuration permet d'emmagasiner de l'air refroidi par l'échangeur 34, donc en plus grande quantité par 25 rapport à de l'air chaud. Le fonctionnement de l'architecture de la figure 5 est en tout point identique au fonctionnement de l'architecture de la figure 2 précédemment décrit. REVENDICATIONS: 1. Architecture (20) de moteur thermique (21) suralimenté comportant: - un turbocompresseur (22) comprenant un compresseur (23) disposé sur un conduit d'admission (26) dudit moteur thermique (21), - une boucle d'alimentation secondaire (35) ayant un premier piquage (38) sur ledit conduit d'admission (26), dit piquage amont, situé en amont dudit compresseur (23) et un deuxième piquage (39) sur ledit conduit d'admission (26), dit piquage aval, situé en aval dudit compresseur (23), caractérisée en ce que ladite architecture comporte en outre un dispositif de stockage de pression (41) monté entre ledit compresseur (23) et ledit piquage aval de ladite boucle d'alimentation secondaire (35), ledit dispositif de stockage de pression (41) étant adapté à stocker un volume de gaz sous pression suite à un relâchement d'un accélérateur du véhicule pour restituer ce volume sous pression dans une phase d'accélération ultérieure. 2. Architecture selon la revendication 1, caractérisée en qu'elle comporte en outre une unité de contrôle (45) apte à commander une première vanne (40), dite vanne d'alimentation, située au niveau dudit piquage aval (39), ainsi qu'une deuxième vanne (42), dite vanne de stockage, associée audit dispositif de stockage de pression (41). 3. Architecteur selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite unité de contrôle (45) est configurée pour ouvrir ladite vanne de stockage (42) lors d'un relâchement de l'accélérateur du véhicule, tout en fermant ladite vanne d'alimentation (40), en sorte que ledit dispositif de stockage de pression (41) peut emmagasiner du gaz sous pression. 4. Architecture selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite unité de contrôle (45) est configurée pour ouvrir ladite vanne d'alimentation (40), après une durée calibrée, de manière à mettre en communication ladite boucle d'alimentation secondaire (35) avec une portion dudit conduit d'admission (26) située en aval dudit piquage aval (39) et maintenir ouverte ladite vanne de stockage (42), en sorte que ledit compresseur (23) comprime de l'air d'admission emmagasiné dans ledit dispositif de stockage de pression (41) jusqu'à une pression de pleine charge. 3028560 9 5. Architecture selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que ladite unité de contrôle (45) est configurée pour fermer ladite vanne de stockage (42) dès que la pression devient supérieure à la pression de pleine charge et pour ouvrir ladite vanne d'alimentation (40) de manière à mettre en communication ladite boucle d'alimentation 5 secondaire (35) avec ledit conduit d'admission (26). 6. Architecture selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que, ladite unité de contrôle (45) est configurée pour commander, lors d'une demande de couple, une fermeture de ladite vanne d'alimentation (40) et l'ouverture de ladite vanne de stockage (42) de manière à libérer le volume de gaz sous pression contenu dans 10 ledit dispositif de stockage de pression (41). 7. Architecture selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit dispositif de stockage de pression (41) a une capacité de l'ordre de 1.5 Litres. 8. Architecture selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur (34) monté en aval dudit compresseur (23). 15 9. Architecture selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit échangeur de chaleur (34) est monté en amont dudit dispositif de stockage de pression (41).