Brevet FR3066784A1 — publié le 20181130

COMPRESSEUR ELECTRIQUE AVEC VANNE DE CONTOURNEMENT La présente invention concerne le domaine des compresseurs électriques, et plus particulièrement un compresseur électrique avec une vanne de contournement. Dans le cadre de l'invention, un compresseur électrique est un dispositif, utilisé pour suralimenter un moteur à combustion essence, Diesel, gaz, éthanol, ou à pile à combustible, fonctionnant avec un moteur électrique. Plus précisément, le compresseur comporte une roue de compresseur entrainée par un moteur électrique. Le compresseur électrique est placé sur la ligne d'admission d'air d'un moteur à combustion. Le compresseur électrique joue le même rôle que le turbocompresseur, à savoir augmenter la pression d'admission des gaz dans le moteur. L'utilisation du compresseur électrique est envisagée pour différents besoins, allant de l'amélioration du temps de réponse global de la boucle d'air moteur à l'augmentation du couple maximal moteur voire de la puissance spécifique d'un moteur thermique, en passant par l'amélioration de la dépollution ou encore le réchauffement des gaz admis dans des conditions froides. Quelle que soit l'utilisation envisagée, il est nécessaire de disposer d'une vanne de contournement pour les différents besoins tels que, la non utilisation du compresseur, la protection du compresseur etc. Aujourd'hui deux types de vannes peuvent être utilisées, les vannes passives, qui ne sont pas pilotées, ou actives, qui sont pilotées. Lorsqu'un besoin de suralimentation est détecté, le compresseur électrique piloté par le calculateur moteur est mis en fonctionnement. La vitesse de rotation du compresseur augmente. La vanne de contournement est alors fermée. Lorsque le besoin en suralimentation est terminé, le fonctionnement du compresseur électrique est arrêté, c'est à dire désactivé. La vitesse de rotation du compresseur électrique diminue pour retourner à un régime de ralenti ou à l'arrêt. La vanne de contournement est alors ouverte. 3066784 2 Une des problématiques aujourd'hui, provient du fait que les vannes utilisées ne sont pas adaptées à l'environnement du compresseur électrique, et nécessite un pilotage parfois compliqué. La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des 5 inconvénients de l'art antérieur en proposant Pour cela la présente invention propose un ensemble moteur comprenant au moins un conduit d'admission s'étendant entre une entrée d'air et un moteur, un moteur, 10 un compresseur électrique disposé sur le conduit d'admission, un circuit de contournement du compresseur électrique, une vanne de contournement du compresseur électrique disposée sur le circuit de contournement, la vanne de contournement étant une vanne passive. 15 Selon une variante de réalisation de l'invention, la vanne de contournement est une vanne guillotine. Selon une autre variante de réalisation de l'invention la vanne de contournement est une vanne à boisseau. Selon un mode de réalisation de l'invention, la vanne de contournement est 20 associée à un ressort de rappel. Selon un mode de réalisation de l'invention, le ressort de rappel permet un réglage d'un point de basculement de la vanne. Selon un mode de réalisation de l'invention' l'ensemble comporte un conduit supplémentaire prenant sa source dans le conduit de dérivation en aval du compresseur 25 et débouchant au niveau de la vanne de contournement. Selon un mode de réalisation de l'invention' l'ensemble comporte un deuxième conduit supplémentaire prenant sa source dans le conduit de dérivation en amont du compresseur et débouchant au niveau de la vanne de contournement. 3066784 3 L'invention concerne également l'utilisation de l'ensemble selon l'invention, dans un moteur à combustion interne pour véhicule automobile. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant 5 aux figures annexées, données à titre d'exemple et dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'une architecture moteur avec un compresseur électrique et une vanne de contournement selon l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'une vanne de contournement selon l'invention, 10 - la figure 3 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation d'une vanne de contournement selon l'invention, - la figure 4 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation d'une vanne de contournement selon l'invention, - la figure 5 est une représentation schématique d'un mode de fonctionnement 15 d'une vanne de contournement selon l'invention, a) vanne ouverte, b) vanne fermée, - la figure 6 illustre les résultats obtenus avec une vanne a) selon l'art antérieur à volet et b) une vanne de contournement selon l'invention. La présente invention concerne un compresseur électrique comportant une vanne de contournement passive. 20 Dans le cadre de l'invention, on entend par compresseur électrique, un compresseur d'air, volumétrique ou non et par exemple centrifuge ou radial, entraîné par un moteur électrique, dans le but de suralimenter un moteur thermique. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur asynchrone à courant continu ou alternatif. 25 Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur à reluctance variable (également appelée machine SRM pour Switched Reluctance Motor selon la terminologie anglaise). 3066784 4 Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur à aimant permanent. Dans le cadre de l'invention, on entend par vanne de contournement (également appelée vanne by-pass selon la terminologie anglaise), une vanne permettant de 5 contourner ou de ne pas contourner le compresseur électrique. Plus précisément, la vanne est disposée sur un conduit de contournement du compresseur électrique. Lorsque la vanne est ouverte, le fluide circule dans le conduit de contournement, et lorsque la vanne est fermée, le fluide circule via le compresseur électrique. La figure 1 illustre une architecture moteur intégrant un compresseur électrique 10 avec une vanne de contournement selon l'invention. Sur cette figure 1 est illustré un ensemble 1 moteur avec un conduit d'admission 4 du circuit d'admission, un moteur 2 thermique à combustion interne de véhicule automobile et un compresseur électrique 5. Ce moteur 2 comporte, selon un mode de réalisation de l'invention, une chambre 15 de combustion 3 comportant une pluralité de cylindres, au nombre par exemple de quatre sur les figures, destinée à recevoir un mélange de comburant et de carburant, et par exemple l'essence ou le Diesel comme carburant et de l'air pur ou un mélange air/gaz de recirculation comme comburant. La combustion dans les cylindres génère le travail du moteur 2. Le fonctionnement 20 du moteur 2 est classique : les gaz sont admis dans la chambre de combustion 3, y sont comprimés, brûlés puis expulsés sous forme de gaz d'échappement. Ce moteur 2 a une entrée 11 reliée au conduit d'admission 4 et une sortie reliée à un circuit d'échappement de gaz 10. L'entrée 11 du conduit d'admission 4 définit l'entrée par laquelle l'air frais pénètre 25 dans l'ensemble 1 tandis que la sortie 12 du circuit d'échappement 10 définit la sortie par laquelle les gaz d'échappement sont évacués de l'ensemble 1. Le conduit d'admission 4 débouche dans un collecteur d'admission 7 qui forme ainsi une boîte d'entrée des gaz dans la chambre de combustion 3 du moteur 2. 3066784 5 On entend par conduit d'admission 4 la canalisation d'admission pour les gaz d'admission, cette canalisation étant située entre l'entrée 11 d'air et le moteur 2. Selon un mode de réalisation de l'invention le conduit d'admission 4 comporte un compresseur mécanique 111 des gaz d'admission, qui est par exemple un 5 turbocompresseur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le conduit d'admission 4 comporte un échangeur de chaleur 6, permettant le refroidissement des gaz d'admission, et par exemple les gaz issus du compresseur mécanique 111. Cet échangeur de chaleur 6 également appelé "RAS" par l'homme du métier, qui signifie "refroidisseur d'air de 10 suralimentation", a pour fonction de refroidir les gaz d'admission. L'échangeur de chaleur 6 assure un échange thermique entre les gaz d'admission et le fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur 6. En sortie de l'échangeur de chaleur 6, les gaz sont à une température proche de celle du fluide caloporteur de l'échangeur de chaleur 6. Selon un mode de réalisation de l'invention, en amont du collecteur d'admission 7 15 des gaz dans le moteur 2, le conduit d'admission 4 comporte une vanne 8 comportant un obturateur de type papillon dont la fonction est par exemple de régler le débit de gaz pour la régulation du régime moteur. Cette vanne 8 est commandée par une unité de commande moteur (également appelé ECU qui signifie Engine Control Unit selon la terminologie anglaise), bien connue de l'homme du métier, et permet de réguler la 20 quantité d'air introduite dans le moteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, la vanne 8 papillon est en amont du compresseur électrique 5. Selon un mode de réalisation de l'invention, la vanne 8 papillon est en aval du compresseur électrique 5. 25 La sortie du moteur 2 est formée par un collecteur 9 des gaz d'échappement. Ce dernier est relié à une voie ou canalisation d'échappement des gaz faisant partie du circuit d'échappement de gaz. 3066784 6 Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit d'échappement 10 comporte une turbine 121, solidaire en rotation du compresseur mécanique 111 des gaz d'admission et formant avec lui un turbocompresseur. La turbine 121 est entraînée par les gaz d'échappement de la voie d'échappement. Selon un mode de réalisation, le flux 5 traverse un système de dépollution et par exemple un catalyseur 122. Comme illustré sur la figure 1, l'ensemble 1 moteur comporte un compresseur électrique 5. Ce compresseur 5 est entraîné par un moteur électrique 2. Le compresseur électrique 5 est disposé dans la boucle du conduit d'admission 4. Plus précisément, le compresseur électrique comporte une roue entrainée en rotation par son moteur 10 électrique via un arbre et des roulements. Dans une première variante de l'invention, le compresseur électrique 5 est disposé en amont de l'échangeur de chaleur 6, et les gaz issus de l'échangeur de chaleur 6 débouchent en amont de la vanne 8 papillon puis dans le collecteur d'admission 7. Selon une autre variante de l'invention, le compresseur électrique 5 est disposé en 15 amont du compresseur mécanique 111. Selon un mode de réalisation de cette variante, le compresseur électrique 5 est disposé en amont de la vanne 8 papillon, entre l'échangeur de chaleur 6 et la vanne 8 papillon. Selon une autre variante de l'invention, le compresseur électrique 5 est disposé en 20 aval de la vanne 8 papillon. Dans le cadre de l'invention, illustrée figure 2 à 5, le compresseur électrique 5 est intégré dans un circuit de contournement 510 (également appelé circuit by-pass selon la terminologie anglaise) comportant un moyen de contournement 52. Le compresseur électrique peut ainsi être court-circuité par ce système de contournement. 25 Le circuit de dérivation 510 en association avec le moyen de contournement 52 permet en général aux gaz d'admission arrivant via le circuit d'admission 4 de circuler à travers le compresseur électrique ou bien de le contourner, par la fermeture ou l'ouverture du moyen de contournement 52. 3066784 7 Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen de contournement 52 de type vanne est disposé sur un circuit de contournement 510, différent de celui du compresseur électrique 5 de façon à ce que lorsque la vanne 52 de dérivation est fermée les gaz d'admission soient dirigés vers le conduit 511 où est disposé le compresseur 5 électrique 5. Ainsi en dehors des phases transitoires, ou de manière générale des phases ne nécessitant pas l'utilisation du compresseur électrique 5, les gaz d'admission circulent dans le conduit 510 et ne traversent pas le compresseur électrique 5. Dans le cadre de l'invention, ce moyen de contournement 52 est une vanne 52 10 passive. La vanne est située dans le circuit de contournement. Elle présente l'avantage de ne pas être pilotée contrairement aux vannes actives. La vanne passive fonctionne grâce à la différence de pression entre la pression en aval du compresseur 5 et la pression en amont de la vanne 52 de contournement. Ainsi, lorsque la pression en aval du compresseur est inférieure, égale, ou très peu 15 supérieure à la pression en amont de la vanne de contournement, alors la vanne 52 de contournement est ouverte. Cette situation se rencontre lorsque le compresseur est inactif. Lorsque la pression en aval du compresseur, est supérieure à la pression en amont de la vanne 52 de contournement, alors la vanne 52 de contournement est fermée. Cette 20 situation se rencontre lorsque le compresseur est actif. La vanne 52 de contournement utilisée dans le cadre de l'invention, est une vanne 52 guillotine ou à boisseau. Selon un mode de réalisation de l'invention, la vanne à guillotine est de forme parallélépipédique ou cylindrique ou de toute autre forme permettant son 25 fonctionnement avec un compresseur électrique. Selon un mode de réalisation de l'invention, la vanne est une vanne à boisseau plat ou cylindrique. 3066784 8 La vanne est associée à un ressort 520 de rappel. Le réglage du point de basculement de la vanne 52 s'effectue ainsi grâce au tarage du ressort 520 de rappel de la vanne. Le tarage est réalisé de façon à permettre l'ouverture et la fermeture de la vanne 5 en fonction de la pression dans le conduit 510 de contournement. Le tarage du ressort est très important pour que le système fonctionne bien. De manière générale, le tarage doit être le plus faible possible pour permettre la fermeture de la vanne passive lorsque la différence de pression existe. Mais il doit être assez élevé pour permettre à la vanne passive de s'ouvrir lorsque la différence de pression n'existe pas, ou est proche de 0, 10 malgré les frottements de la vanne. Selon un mode de réalisation de l'invention, illustrée figure 2, la pression en aval du compresseur agit directement sur la vanne 52 de contournement. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, illustrée figures 3 et 4, la pression en aval du compresseur est redirigée à l'aide d'un conduit 521 supplémentaire 15 vers la vanne 52 de contournement. Dans ce cas, le conduit 521 supplémentaire est configuré de façon à éviter le phénomène de venturi. Selon un mode de réalisation de l'invention, le conduit supplémentaire prend sa source dans le conduit de dérivation en aval du compresseur et débouche au niveau de la vanne 52 de contournement. 20 Dans ces deux cas, la deuxième pression qui agit sur la vanne 52 de contournement est celle résidant en amont de la vanne 52 de contournement. Selon un autre mode de réalisation de l'invention illustré figure 4, la deuxième pression en amont du compresseur est redirigée à l'aide d'un deuxième conduit 522 supplémentaire vers la vanne 52 de contournement. Dans ce cas, le deuxième conduit 25 522 supplémentaire est configuré de façon à éviter le phénomène de venturi. Selon un mode de réalisation de l'invention, le deuxième conduit (522) supplémentaire prend sa source dans le conduit, en amont du compresseur 5 et débouche au niveau de la vanne 52 de contournement. 3066784 9 Ainsi, la pression en amont du compresseur agit directement ou indirectement sur la vanne 52 de contournement, et la pression en aval du compresseur agit directement ou indirectement sur la vanne 52 de contournement. Plus précisément : - la pression en amont du compresseur agit directement sur la vanne 52 de 5 contournement, et la pression en aval du compresseur agit directement sur la vanne 52 de contournement, ou - la pression en amont du compresseur agit directement, et la pression en aval du compresseur agit indirectement sur la vanne 52 de contournement, ou - la pression en amont du compresseur agit indirectement sur la vanne 52 de 10 contournement, et la pression en aval du compresseur agit directement sur la vanne 52 de contournement, ou - la pression en amont du compresseur agit indirectement sur la vanne 52 de contournement, et la pression en aval du compresseur agit indirectement sur la vanne 52 de contournement. 15 Le fonctionnement d'un tel compresseur électrique selon l'invention est le suivant. Lors de son fonctionnement, le compresseur 5 électrique est piloté par le calculateur de contrôle moteur, qui lorsqu'un besoin de suralimentation est détecté et nécessite l'utilisation du compresseur électrique, envoie une consigne de vitesse au compresseur électrique. Le régime de rotation du compresseur électrique augmente alors 20 pour assurer le besoin de compression. A ce moment là, la vanne 52 de contournement passive se ferme figure 5b) automatiquement sous l'effet de la pression en aval du compresseur, ce qui permet au compresseur de comprimer correctement les gaz d'admission. Lorsque l'activation du compresseur électrique n'est plus nécessaire, celui-ci est 25 désactivé. A ce moment là, la vanne de contournement s'ouvre figure 5a) automatiquement sous l'effet de la pression en aval du compresseur qui est alors à une valeur avoisinante celle de la pression en amont du compresseur. Les performances maximales du moteur thermique sont ainsi sauvegardées. 3066784 10 La figure 6 illustre les différences de pertes de charge entre un écoulement avec une vanne, selon l'art antérieur, à volet pleine ouverte et avec une vanne, selon l'invention, à guillotine, pleine ouverte (modélisée par une rainure de même épaisseur que le volet de la précédente vanne). Ces résultats illustrent le fait que les pertes de 5 charges sont minimisées dans le cas de la vanne selon l'invention. La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans 10 toutefois sortir de la portée définie par les revendications. REVENDICATIONS1. Ensemble (1) moteur comprenant au moins - un conduit d'admission (4) s'étendant entre une entrée (11) d'air et un moteur (2), - un moteur (2), - un compresseur électrique (5) disposé sur le conduit d'admission (4), - un circuit de contournement (510) du compresseur électrique, - une vanne (52) de contournement du compresseur électrique (5) disposée sur le circuit de contournement (510), caractérisé en ce que la vanne (52) de contournement est une vanne passive. 2. Ensemble (1) selon la revendication 1, dans lequel la vanne (52) de contournement est une vanne guillotine. 3. Ensemble (1) selon la revendication 1, dans lequel la vanne (52) de contournement est une vanne à boisseau. 4. Ensemble (1) selon une des revendications 1 à 3, dans lequel la vanne (52) de contournement est associée à un ressort (520) de rappel. 5. Ensemble (1) selon la revendication 4, dans lequel le ressort (520) de rappel permet un réglage d'un point de basculement de la vanne (52). 6. Ensemble (1) selon une des revendications 1 à 5, comportant un conduit (521) supplémentaire prenant sa source dans le conduit (510) de dérivation en aval du compresseur (5) et débouchant au niveau de la vanne (52) de contournement. 7. Ensemble (1) selon une des revendications 1 à 6, comportant un deuxième conduit (522) supplémentaire prenant sa source dans le conduit (510) de dérivation en amont du compresseur (5) et débouchant au niveau de la vanne (52) de contournement. 8. Utilisation de l'ensemble (1) selon une des revendications 1 à 7, dans un moteur à combustion interne pour véhicule automobile.