FR2885649A1 - Systeme de suralimentation pour moteur a allumage par compression - Google Patents

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Abstract

Système de suralimentation pour moteur à allumage par compression, comprenant un premier (20) et un deuxième (30) turbocompresseurs montés en parallèle fonctionnant séquentiellement.Selon l'invention, ledit système comprend un moyen (40) de compensation de la diminution du rapport de compression du premier compresseur (21) lors de la mise en fonctionnement du deuxième turbocompresseur (30).Application aux moteurs diesel dans l'industrie automobile.

Description

La présente invention concerne un système de suralimentation pour moteur à
allumage par compression.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'industrie automobile.
D'une manière générale, les moteurs à allumage par compression, appelés aussi moteurs diesel nécessitent l'emploi d'un système de suralimentation pour obtenir des performances d'un niveau satisfaisant.
Dans la plupart des cas, cette suralimentation est obtenue par un turbocompresseur qui utilise l'énergie contenue dans les gaz d'échappement pour entraîner un compresseur, ce io dernier fournissant alors de l'air à une pression plus élevée à l'admission du moteur. Cependant, les turbocompresseurs ont un champ de fonctionnement limité de sorte que, si on cherche à augmenter les performances à bas régime, on choisit plutôt un petit turbocompresseur à faible inertie, ceci au détriment des performances à haut régime car le turbocompresseur est alors utilisé dans des conditions où son rendement n'est pas favorable.
Le contraire, c'est-à-dire l'utilisation d'un turbocompresseur à forte inertie, est aussi possible.
Pour résoudre la difficulté d'obtenir une suralimentation sur une plage de régime moteur plus large, une première amélioration consiste à utiliser un turbocompresseur à géométrie variable, lequel constitue une application de plus en plus courante. Ce type de turbocompresseur permet en effet d'accélérer les gaz à bas régime pour obtenir de bonnes performances assez tôt dans le fonctionnement du moteur, tout en acceptant les débits importants correspondant aux régimes élevés. Mais ceci ne permet pas encore de couvrir complètement la plage d'utilisation du moteur.
C'est pourquoi certaines applications utilisent deux turbocompresseurs montés en parallèle et fonctionnant séquentiellement, c'est-à-dire que l'un des turbocompresseurs tourne en permanence quel que soit le régime moteur alors que l'autre n'est connecté qu'au-delà d'un certain seuil.
Les seules applications courantes pour moteur diesel concernent des moteurs de cylindrée importante, non compatibles avec une utilisation sur véhicule automobile, et qui par conséquent ont des régimes de rotation moins élevés et fonctionnent très souvent à régime stabilisé.
On connaît une application automobile d'un système de suralimentation pour moteur à allumage par compression à deux turbocompresseurs parallèles dans laquelle le compresseur et la turbine du premier turbocompresseur sont directement connectés aux collecteurs d'admission et d'échappement du moteur, tandis que le compresseur et la turbine du deuxième turbocompresseur sont connectés auxdits collecteurs d'admission et d'échappement par l'intermédiaire d'une vanne d'isolement respective.
En mode mono-turbo, seul le premier turbocompresseur est actif, les vannes d'isolement du deuxième turbocompresseur étant fermées.
Lorsque la charge et le régime atteignent un certain seuil, débute une phase de transition qui consiste à accélérer le deuxième turbocompresseur pour que son point de fonctionnement se trouve dans une zone favorable de son champ de fonctionnement optimal. Pour cela, la vanne d'isolement de la turbine du deuxième turbocompresseur s'ouvre io partiellement. La turbine entraîne alors le compresseur du deuxième turbocompresseur, cependant la pression qu'il génère ne permet pas d'autoriser l'ouverture de la vanne d'isolement correspondante.
Lorsque cette phase de transition est terminée, c'est-à-dire lorsque la pression fournie par le compresseur du deuxième turbocompresseur est suffisante, le moteur entre en mode bi- cs turbo dans lequel la vanne d'isolement de la turbine du deuxième turbocompresseur s'ouvre complètement, de même que la vanne d'isolement du compresseur du deuxième turbocompresseur. Les deux turbocompresseurs fonctionnent alors en parallèle.
On comprend de ce fonctionnement que, lors de la phase de transition pendant laquelle le deuxième turbocompresseur est mis en fonctionnement, le premier turbocompresseur ne dispose plus de toute l'énergie qui lui est nécessaire du fait qu'une partie des gaz d'échappement collectés est maintenant fournie à la turbine du deuxième turbocompresseur sans que le compresseur de ce même turbocompresseur ne contribue à la pression de suralimentation du moteur puisque sa vanne d'isolement est fermée.
Il en résulte que, pendant la phase de transition, la pression de suralimentation de l'air entrant dans le moteur est plus faible. La quantité d'air pénétrant dans le moteur est donc également plus faible.
Si l'on souhaite conserver le couple constant afin d'éviter au conducteur un désagrément de conduite, il faut injecter la même quantité de carburant et ainsi autoriser un certain enrichissement du mélange, avec la limite qu'en phase d'accélération, la richesse est déjà à son maximum. Au-delà, on dépasse les critères de fumée visible.
Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un système de suralimentation pour moteur à allumage par compression, comprenant un premier et un deuxième turbocompresseurs montés en parallèle fonctionnant séquentiellement, qui permettrait d'éviter, ou du moins de limiter, la perte de pression de suralimentation pendant la phase transitoire entre les modes mono et biturbo.
La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit système comprend un moyen de compensation de la diminution du rapport de compression du premier compresseur lors de la mise en fonctionnement du deuxième turbocompresseur.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit moyen de compensation est une vanne de communication entre la sortie du compresseur du deuxième turbocompresseur et l'entrée du compresseur du premier turbocompresseur.
io Enfin, un procédé de mise en oeuvre du système de suralimentation selon l'invention est remarquable en ce qu'il comprend une étape de transition entre un mode mono-turbo et un mode bi-turbo au cours de laquelle le deuxième turbocompresseur est mis en fonctionnement par ouverture d'une vanne d'isolement disposée en amont de la turbine dudit deuxième turbocompresseur tandis que, simultanément, ledit moyen de compensation est activé.
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.
La figure 1 est un schéma d'un système de suralimentation conforme à l'invention.
La figure 2 est un diagramme montrant l'évolution du rapport de compression en sortie du compresseur principal (courbe (a)), du rapport de compression en sortie du compresseur secondaire (courbe (b)) et la pression en entrée du moteur 10 (courbe (c)) au cours du fonctionnement du système de suralimentation de la figure 1.
Sur la figure 1 est représenté un moteur 10 à allumage par compression, ou moteur diesel, équipé d'un système de double suralimentation composé d'un premier turbocompresseur 20, ou turbocompresseur principal, et d'un deuxième turbocompresseur 30, ou turbocompresseur secondaire.
Comme le montre la figure 1, les deux turbocompresseurs 20, 30 sont montés en parallèle et fonctionnent séquentiellement. A cet effet, deux vannes permettent d'isoler le turbocompresseur secondaire 30 du reste du moteur, à savoir, une vanne 33 d'isolement montée en amont de la turbine 32 du turbocompresseur secondaire 30 et un clapet 34 antiretour monté en aval du compresseur 31 dudit turbocompresseur secondaire 30, ledit clapet anti-retour 34 étant en position fermée lorsque la pression en sortie du compresseur 31 est inférieure à la pression en entrée du moteur 10.
Le fonctionnement séquentiel du système de suralimentation de la figure 1 est le suivant.
Lorsque le moteur 10 fonctionne en mode mono-turbo à faible régime et faible charge, l'air d'admission traverse un clapet anti-retour 24 et passe à travers le compresseur 21 du turbocompresseur principal 20 avant d'être dirigé dans le collecteur 11 d'admission du moteur 10. De là, il pénètre dans le moteur 10 pour participer au cycle de combustion. Le collecteur 12 récupère les gaz d'échappement qu'il dirige vers la turbine 22 du turbocompresseur principal 20, car la vanne 33 d'isolement de la turbine 32 du turbocompresseur secondaire 30 est fermée.
io Dès que la charge et le régime atteignent un certain seuil, débute une phase de transition entre les modes de fonctionnement mono et bi-turbo qui consiste à accélérer la turbine 32 afin que le point de fonctionnement du turbocompresseur secondaire 30 se trouve dans une zone favorable de son champ de fonctionnement optimal. Pour cela, la vanne 33 d'isolement de la turbine 32 s'ouvre, permettant à une partie des gaz d'échappement normalement évacués à travers la vanne 23 de régulation, qui est alors fermée, de mettre en rotation la turbine 32 du turbocompresseur secondaire 30.
Cependant, lorsque la vanne 33 d'isolement s'ouvre, la turbine 22 du turbocompresseur principal 20 est privée d'une partie de son énergie, ce qui normalement provoquerait une chute correspondante du rapport de compression dans le compresseur 21 dudit turbocompresseur principal 20.
Comme le montre la figure 1, cet inconvénient est évité du fait de la présence d'une vanne 40 de communication entre la sortie du compresseur 31 du turbocompresseur secondaire 30 et l'entrée du compresseur 21 du turbocompresseur principal 20, ladite vanne 40 de communication étant amenée en position ouverte durant la phase de transition en même temps qu'est ouverte la vanne 33 d'isolement.
En effet, on peut constater sur la figure 2 que, de cette manière, la pression de suralimentation en entrée du moteur 10 (courbe (c)) reste constante ou augmente légèrement en raison de l'effet de multiplication des rapports de compression des compresseurs 21, 31 (courbes (a) et (b)), la vanne 40 de communication agissant comme moyen de compensation de la diminution du rapport de compression du compresseur principal 21 par l'augmentation du rapport de compression du compresseur secondaire 31 lors de la mise en fonction du turbocompresseur secondaire 30 au cours de la phase de transition du régime mono-turbo au régime bi-turbo.
Cette phase de transition se termine lorsque le compresseur 31 du turbocompresseur secondaire 30 tourne suffisamment vite, auquel cas la vanne 40 de communication est refermée. Le moteur 10 peut alors entrer dans une phase de fonctionnement bi-turbo.
La pression en sortie du compresseur 31 du turbocompresseur secondaire 30, ayant au moins atteint la pression en sortie du compresseur 21 du turbocompresseur principal 20, est alors appliquée à l'entrée du moteur 10. A ce moment, les deux compresseurs 21 et 31 fournissent des rapports de compression (courbes (a) et (b) de la figure 2) insuffisants pour garantir une pression de suralimentation constante. Ils ont cependant acquis une vitesse de rotation suffisante pour atteindre très rapidement la pression nécessaire. C'est pourquoi on io observe sur la figure 2 que la pression (courbe (c)) en entrée du moteur 10 diminue légèrement pour devenir ensuite pratiquement constante. L'amplitude de cette diminution est atténuée par l'effet d'inertie produit par le volume entre le compresseur 21 et l'entrée du moteur 10. Ce volume sert en quelque sorte de tampon qui empêche la pression de diminuer en dessous de la valeur désirée.
Les risques de sur-richesse en carburant sont donc éliminés tout en conservant la pression constante aux bornes du moteur pour un meilleur agrément de conduite.

Claims (1)

  1. 6 REVENDICATIONS
    1. Système de suralimentation pour moteur à allumage par compression, comprenant un premier (20) et un deuxième (30) turbocompresseurs montés en parallèle fonctionnant séquentiellement, caractérisé en ce que ledit système comprend un moyen (40) de compensation de la diminution du rapport de compression du premier compresseur (21) lors de la mise en fonctionnement du deuxième turbocompresseur (30).
    2. Système de suralimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de compensation est une vanne (40) de communication entre la sortie du compresseur io (31) du deuxième turbocompresseur (30) et l'entrée du compresseur (21) du premier turbocompresseur (20).
    3. Procédé de mise en oeuvre du système de suralimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit procédé comprend une étape de transition entre un mode mono-turbo et un mode bi-turbo au cours de laquelle le deuxième turbocompresseur (30) est mis en fonctionnement par ouverture d'une vanne (33) d'isolement disposée en amont de la turbine (32) dudit deuxième turbocompresseur (30) tandis que, simultanément, ledit moyen (40) de compensation est activé.
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