FR2921420A1 - Vanne de decharge d'une turbine d'un moteur et moteur a combustion interne correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une vanne de décharge (50) comportant une soupape de court-circuitage (51) d'une turbine (32) d'un moteur à combustion interne (1) pourvu d'un circuit de lubrification (40).Selon l'invention, la vanne de décharge comporte, d'une part, un actionneur hydraulique de la soupape de court-circuitage raccordé audit circuit de lubrification, et, d'autre part, des moyens de régulation pour réguler le débit de lubrifiant entrant dans et/ou sortant de l'actionneur hydraulique.

Description

1 DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale le pilotage du débit de gaz brûlés passant par une turbine d'un moteur à combustion interne turbocompressé.

Elle concerne plus particulièrement une vanne de décharge comportant une soupape de court-circuitage d'une turbine d'un moteur à combustion interne pourvu d'un circuit de lubrification. Elle concerne également un moteur à combustion interne comportant un circuit de lubrification et une ligne d'échappement pourvue d'une turbine, d'un conduit de court-circuitage de la turbine et d'une telle vanne de décharge dont la soupape de court-circuitage est adaptée à obturer ledit conduit de court-circuitage. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans la réalisation des moteurs à allumage commandé. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Il est connu, s'agissant du turbocompresseur d'un moteur à combustion interne, de prévoir par sécurité un contournement de la turbine dudit turbocompresseur par une conduite de court-circuitage, appelée aussi conduite waste-gate . Ainsi, lorsque le moteur fonctionne à haut régime, ce contournement permet au flux de gaz brûlés qui entraîne normalement la turbine, de passer directement d'amont en aval de la turbine sans actionner celle-ci. De cette manière, si la pression dans la ligne d'admission du moteur est anormalement élevée, ce contournement évite que cette surpression n'endommage le moteur. Ce contournement est également utilisé à faible charge, lorsque la pression désirée en admission est faible. De cette manière, les gaz dans la ligne d'admission étant moins comprimés, il n'est pas nécessaire de fermer la vanne de régulation des gaz d'admission. De ce fait, les pertes de charge engendrées sur les gaz d'admission sont diminuées, ce qui est bénéfique pour le rendement du moteur.

Le débit de gaz brûlés passant par cette conduite de court-circuitage est classiquement régulé par une soupape de court-circuitage actionnée par des moyens d'actionnement pneumatiques. En particulier, le document FR 2 564 145 présente de tels moyens d'actionnement pneumatiques comportant un boîtier muni intérieurement d'une membrane qui est raccordée à la soupape de court-circuitage et qui définit dans le boîtier deux chambres de compression. L'une de ces chambres communique avec la ligne d'admission, de sorte que la position de la soupape est fonction de la pression dans la ligne d'admission. Ainsi, lorsque la pression dans la ligne d'admission est élevée, la soupape s'ouvre automatiquement. A bas régime, il est prévu de diminuer la pression dans la deuxième chambre pour que la soupape s'ouvre également.

L'inconvénient de ces moyens d'actionnement est qu'à très bas régime, la pression dans la ligne d'admission n'est plus suffisante pour ouvrir la soupape. On connaît par ailleurs du document ES 2007815 des moyens d'actionnement électro-mécaniques de la soupape de court-circuitage, comportant un moteur électrique relié à la soupape. Ce moteur permet alors d'ouvrir ou fermer la soupape à volonté, quelle que soit la pression dans la ligne d'admission. Toutefois, un tel moteur présente un coût de fabrication important. En outre, il doit nécessairement être disposé à proximité de la ligne d'échappement, de sorte qu'il est soumis à de fortes contraintes thermiques qui réduisent sa durée de vie.

OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose une nouvelle vanne de décharge robuste, peu coûteuse et qui n'est pas tributaire de la pression en admission. Plus particulièrement, on propose selon l'invention une vanne de décharge telle que définie dans l'introduction, dans laquelle il est prévu, d'une part, un actionneur hydraulique de la soupape de court-circuitage raccordé audit circuit de lubrification, et, d'autre part, des moyens de régulation pour réguler le débit de lubrifiant entrant dans et/ou sortant de l'actionneur hydraulique. L'actionneur hydraulique est avantageusement actionné par l'huile de lubrification du moteur. De par nature, il est peu sensible aux contraintes thermiques de sorte que sa position à proximité de la ligne d'échappement ne présente aucun risque. Par ailleurs, le raccordement de l'actionneur hydraulique au circuit de lubrification permet d'utiliser du lubrifiant toujours sous pression quels que soient le régime et la charge du moteur. La soupape de court-circuitage peut donc être actionnée en posiition ouverte ou fermée quel que soit le point de fonctionnement du moteur. Enfin, la réalisation d'une telle vanne de décharge est peu coûteuse puisqu'elle nécessite pour sa mise en oeuvre des moyens bien connus, en nombre réduit. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de la vanne de décharge conforme à l'invention sont les suivantes : 3 - lesdits moyens de régulation comportent une vanne de régulation du débit de lubrifiant dont une sortie de commande communique avec une première chambre de compression dudit actionneur hydraulique ; - lesdits moyens de régulation comportent une autre vanne de régulation du débit de lubrifiant dont une sortie de commande communique avec une seconde chambre de compression dudit actionneur hydraulique, distincte de ladite première chambre de compression ; - chaque vanne de régulation comprend un distributeur 3 voies muni d'une entrée haute pression et d'une sortie basse pression aptes à être raccordées à ladite sortie de commande ; - la turbine étant lubrifiée par le circuit de lubrification, l'entrée haute pression du distributeur 3 voies est piquée sur le circuit de lubrification, en amont de la turbine, et la sortie basse pression est piquée sur le circuit de lubrification, en aval de la turbine ; - l'actionneur hydraulique comporte un vérin pourvu d'un bras de sortie raccordé à la soupape de court-circuitage ; - il est prévu des moyens de pilotage des moyens de régulation qui comprennent, d'une part, des moyens d'acquisition d'au moins une caractéristique déterminée relative à un point de fonctionnement instantané du moteur à combustion interne, et, d'autre part, une cartographie de la plage de fonctionnement du moteur à combustion interne qui fait correspondre, à la valeur de chaque caractéristique déterminée, une consigne de pilotage desdits moyens de régulation ; - ladite caractéristique déterminée comporte la charge du moteur à combustion interne ; et - ladite caractéristique déterminée comporte le régime du moteur à combustion interne. L'invention concerne également un moteur à combustion interne comportant un circuit de lubrification et une ligne d'échappement pourvue d'une turbine, d'un conduit de court-circuitage de la turbine et d'une telle vanne de décharge dont la soupape de court-circuitage est adaptée à obturer ledit conduit de court-circuitage. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. 4 Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne selon l'invention, et - la figure 2 est une vue de détail de la zone II de la figure 1.

Dans la description, les termes amont et aval seront utilisés suivant le sens de l'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement de l'air frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés par un silencieux d'échappement. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un moteur à combustion interne 1, qui comprend un bloc-moteur 10 pourvu ici de quatre cylindres 11. Il est en outre équipé d'un circuit de lubrification 40 dans lequel circule de l'huile mise sous pression par une pompe (non représentée). En amont des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'admission 20 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, ainsi qu'un refroidisseur d'air principal 23 qui refroidit cet air frais comprimé. La ligne d'admission 20 débouche dans un répartiteur d'air 24 qui se charge de répartir l'air frais vers chacun des cylindres 11 du bloc-moteur 10.

Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le moteur à combustion interne 1 est à allumage commandé. Sa ligne d'admission 20 est donc pourvue d'un volet papillon 25 qui régule le débit d'air frais entrant dans le répartiteur d'air 24. En sortie des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte un collecteur d'échappement 31 de gaz brûlés qui est raccordé à une ligne d'échappement 30 s'étendant jusqu'à des moyens d'oxydation des gaz brûlés, formés ici par un catalyseur d'oxydation auxiliaire 33 et par un pot catalytique 34. La ligne d'échappement 30 comporte par ailleurs, entre le collecteur d'échappement 31 et lesdits moyens d'oxydation, une turbine 32 qui actionne le compresseur 22. La turbine 32 et le compresseur 22 sont classiquement liés l'un à l'autre par un axe 60 tournant dans un palier lisse. Ce palier lisse est lubrifié par le circuit de lubrification 40 de sorte que le circuit de lubrification 40 présente une partie amont 42 dans laquelle l'huile circule à très haute pression, et une partie aval 41 dans laquelle l'huile circule à une pression inférieure. La ligne d'échappement 30 comporte également une conduite de court- circuitage 35 de la turbine 32. Cette conduite de court-circuitage 35 est branchée en parallèle de la turbine 32, de manière que cette dernière puisse être délestée si nécessaire, comme cela sera expliqué plus en détail par la suite.

Enfin, la ligne d'échappement 30 est équipée d'une vanne de décharge 50 qui comporte une soupape de court-circuitage 51 adaptée à variablement obturer ou ouvrir la conduite de court-circuitage 35 afin de réguler le débit des gaz brûlés circulant dans celle-ci, et donc le débit de gaz brûlés passant par la turbine 32 et actionnant le compresseur 22. Le moteur à combustion interne 1 peut éventuellement aussi être pourvu d'une ligne de recirculation des gaz brûlés, communément appelée ligne EGR, qui prend naissance dans la ligne d'échappement 30 et qui débouche dans la ligne d'admission 20.

Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, la vanne de décharge 50 comporte un actionneur hydraulique 52 de la soupape de court-circuitage 51 qui est raccordé au circuit de lubrification 40, et des moyens de régulation 53, 54 d'huile entrant dans et/ou sortant de l'actionneur hydraulique 52. La vanne de décharge 50 comporte en outre des moyens de pilotage 55 desdits moyens de régulation 53, 54. Ici, comme le montre la figure 2, l'actionneur hydraulique 52 comporte un vérin pourvu d'un piston 56 monté à translation dans un fourreau 57 fermé à ses deux extrémités. Ce piston définit dans le fourreau deux chambres de compression 52A, 52B distinctes. Le vérin est en outre doté d'un bras de sortie 51A qui fait saillie d'une extrémité du fourreau et qui est raccordé à la soupape de court-circuitage 51. Modifier variablement la position du piston 56 dans le fourreau 57 permet alors d'ouvrir ou fermer variablement la soupape de court-circuitage 51. Bien sûr, en variante, cet actionneur hydraulique pourrait être de tout autre type. Avantageusement, les moyens de régulation comportent une première vanne de régulation 53 du débit d'huile à injecter dans ou à extraire de la première chambre de compression 52A du vérin 52. Cette première vanne de régulation 53 permet alors de réguler la pression d'huile dans la première chambre de compression 52A. Préférentiellement, ces mêmes moyens de régulation comportent une seconde vanne de régulation 54 du débit d'huile à injecter dans ou à extraire de la seconde chambre de compression 52B du vérin 52. Cette seconde vanne de régulation 54 perrnet alors de réguler la pression d'huile dans la seconde chambre de compression 52B. En conséquence, l'association des deux vannes permet de piloter précisément la position du piston 56 dans le fourreau 57 du vérin 52. Ce vérin est alors dit à double effet . En variante, ces moyens de régulation peuvent comporter une unique 6 vanne de régulation. Selon cette variante, l'une des chambres de compression du vérin communique avec ladite unique vanne de régulation, tandis que l'autre des chambres de compression loge un ressort de rappel du piston. Le vérin est alors dit à simple effet .

Quoi qu'il en soit, chaque vanne de régulation 53, 54 est ici munie d'un distributeur 3 voies bien connue de l'Homme du métier, pourvu, d'une part, d'une entrée haute pression 53A, 54A qui communique avec la partie amont 42 du circuit de lubrification 40 via une conduite 42A piquée sur cette partie amont 42, et, d'autre part, d'une sortie basse pression 53B, 54B qui communique avec la partie aval 41 du circuit de lubrification 40 via une conduite 41A piquée sur cette partie aval 41. Chaque distributeur 3 voies comporte enfin une sortie de commande 53C, 54C qui communique avec la chambre de compression 52A, 52B correspondante de l'actionneur hydraulique 52. Classiquement, chaque distributeur 3 voies présente trois positions stables. Dans une première position stable, son entrée haute pression 53A, 54A communique avec sa sortie de commande 53C, 54C. Ainsi, la partie amont 42 du circuit de lubrification 40 communique avec la chambre de compression 52A, 52B correspondante du vérin 52, ce qui génère une poussée du piston 56 qui réduit le volume de l'autre chambre de compression. Dans une seconde position stable, la sortie basse pression 53B, 54B du distributeur 3 voies communique avec sa sortie de commande 53C, 54C. Ainsi, la partie aval 41 du circuit de lubrification 40 communique avec la chambre de compression 52A, 52B correspondante du vérin 52, ce qui permet l'évacuation de l'huile contenue dans cette chambre lorsque son volume se réduit. Dans une troisième position stable, aucune des entrée haute pression 53A, 54A et sortie basse pression 53B, 54B du distributeur 3 voies ne communique avec sa sortie de commande 53C, 54C, de sorte que le piston 56 conserve sa position dans le fourreau 57.

Les moyens de pilotage 55 des moyens de régulation 53, 54 comprennent quant à eux de manière classique une mémoire vive et une mémoire de masse permanente. La mémoire vive est en particulier prévue pour stocker, en temps réel, une valeur d'au moins une caractéristique déterminée relative au point de fonctionnement instantané du moteur à combustion interne 1. Elle en stocke ici deux, à savoir les valeurs du régime R et de la charge PME du moteur. A cet effet, les moyens de pilotage 55 comportent des moyens 7 d'acquisition aptes, d'une part, à relever la valeur du régime R du moteur, et, d'autre part, à calculer la valeur de la charge PME du moteur. Dans cette optique, ces moyens d'acquisition comportent un capteur de vitesse prévu pour relever la vitesse angulaire du vilebrequin du moteur, ce qui fournit le régime R du moteur. Ils comportent en outre des moyens de calcul de la charge PME du moteur. Cette charge du moteur correspond au rapport du travail fourni par le moteur à un instant et à un régime donnés, sur le travail maximal que peut développer le moteur pour ce régime donné. Cette charge peut être quantifiée à l'aide d'une pression moyenne effective PME dont le calcul est classique pour l'Homme du métier. La mémoire vive est en outre prévue pour stocker la position instantanée de la soupape de court-circuitage 51. A cet effet, les moyens de pilotage 55 peuvent par exemple comporter un capteur de position de la tige de sortie 51A du vérin 52. La mémoire de masse stocke quant à elle une cartographie de la plage de fonctionnement du moteur à combustion interne 1 et un logiciel d'exécution qui est apte à piloter en position la soupape de court-circuitage 51. Cette cartographie fait ici correspondre à chaque couple de régime R et de charge PME une valeur d'une position optimale de la soupape de courtcircuitage 51. Bien sûr, en variante, cette cartographie pourrait se baser sur d'autres caractéristiques du point de fonctionnement du moteur, telles que le débit et/ou la pression de l'air frais circulant dans la ligne d'admission 20.

Le logiciel d'exécution est quant à lui prévu pour piloter chaque distributeur 53, 54 selon une consigne de pilotage élaborée en fonction des valeurs contenues dans la cartographie et dans la mémoire vive. Lorsque le moteur à combustion interne 1 fonctionne, l'air frais prélevé dans l'atmosphère par la ligne d'admission 20 est filtré par le filtre à air 21, comprimé par le compresseur 22, puis refroidi par le refroidisseur d'air 23, et enfin brûlé dans les cylindres 11. A leur sortie des cylindres 11, selon qu'ils passent ou non par la conduite de court-circuitage 35, les gaz brûlés sont soit détendus dans la turbine 32 puis traités et filtrés par les moyens d'oxydation 33, 34 avant d'être rejetés dans l'atmosphère, soit directement traités et filtrés par les moyens d'oxydation 33, 34 avant d'être rejetés dans l'atmosphère. Pour régler le débit de gaz brûlés passant par la turbine 32, les moyens 8 de pilotage 55 pilotent la position de la soupape de court-circuitage 51 selon un procédé de pilotage prédéfini. Ce procédé de pilotage comporte une première étape d'acquisition de la valeur du régime R du moteur à combustion interne 1, de calcul de la valeur de sa charge PME, et de détermination de la position instantanée de la soupape de court- circuitage 51. Ces valeurs ainsi acquises sont alors mémorisées par la mémoire vive des moyens de pilotage 55. Au cours d'une deuxième étape, le logiciel d'exécution recherche dans la cartographie la position optimale de la soupape de court-circuitage 51 correspondant aux valeurs acquises de la charge PME et du régime R. Puis, le logiciel d'exécution compare cette position optimale avec la position déterminée de la soupape de court-circuitage 51. Il génère alors, en fonction du résultat de cette comparaison, une consigne de pilotage de chaque distributeur 53, 54 pour déplacer le piston 56 vers l'une ou l'autre des extrémités du fourreau 57. Ainsi, si la pression de l'air frais dans le répartiteur d'air 24 est trop grande (supérieure à un seuil déterminé), ou si la charge du moteur est faible (inférieure à un autre seuil déterminé), le logiciel d'exécution peut piloter l'ouverture de la soupape de court-circuitage 51 pour dévier une partie au moins des gaz brûlés vers la conduite de court-circuitage 35, ce qui a pour effet de diminuer la pression de l'air frais en aval du compresseur 22. De ce fait, à faible charge, il n'est pas nécessaire de fermer le volet papillon 25 pour limiter le débit d'air frais entrant dans les cylindres 11 du moteur, ce qui engendrerait des pertes de charge néfastes vis-à-vis du rendement du moteur. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Vanne de décharge (50) comportant une soupape de court-circuitage (51) d'une turbine (32) d'un moteur à combustion interne (1) pourvu d'un circuit de lubrification (40), caractérisée en ce qu'elle comporte, d'une part, un actionneur hydraulique (52) de la soupape de court-circuitage (51) raccordé audit circuit de lubrification (40), et, d'autre part, des moyens de régulation (41A, 42A, 53, 54) pour réguler le débit de lubrifiant entrant dans et/ou sortant de l'actionneur hydraulique (52).

2. Vanne de décharge (50) selon la revendication précédente, dans laquelle lesdits moyens de régulation (41A, 42A, 53, 54) comportent une vanne de régulation (53) du débit de lubrifiant dont une sortie de commande (53C) communique avec une première chambre de compression (52A) dudit actionneur hydraulique (52).

3. Vanne de décharge (50) selon la revendication précédente, dans laquelle lesdits moyens de régulation (41A, 42A, 53, 54) comportent une autre vanne de régulation (54) du débit de lubrifiant dont une sortie de commande (54C) communique avec une seconde chambre de compression (52B) dudit actionneur hydraulique (52), distincte de ladite première chambre de compression (52A).

4. Vanne de décharge (50) selon l'une des deux revendications précédentes, dans laquelle chaque vanne de régulation comprend un distributeur 3 voies (53, 54) muni d'une entrée haute pression (53A, 54A) et d'une sortie basse pression (53B, 5413) aptes à être raccordées à ladite sortie de commande (53C, 54C).

5. Vanne de décharge (50) selon la revendication précédente, dans laquelle la turbine (32) étant lubrifiée par le circuit de lubrification (40), l'entrée haute pression (53A, 54A) de chaque distributeur 3 voies (53, 54) est piquée sur le circuit de lubrification (40) en amont de la turbine (32), et la sortie basse pression (53B, 54B) est piquée sur le circuit de lubrification (40) en aval de la turbine (32).

6. Vanne de décharge (50) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'actionneur hydraulique comporte un vérin (52) pourvu d'un bras de sortie (51A) raccordé à la soupape de court- circuitage (51).

7. Vanne de décharge (50) selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens de pilotage (55) desdits moyens de régulation (41A, 42A, 53, 54) qui comprennent, d'une part, des moyens d'acquisition d'au moins une caractéristique déterminée (R, PME) relative à un point de fonctionnement instantané du moteur à combustion interne (1), et, d'autre part, une cartographiede la plage de fonctionnement du moteur à combustion interne (1) qui fait correspondre, à la valeur de chaque caractéristique déterminée (R, PME), une consigne de pilotage desdits moyens de régulation (41A, 42A, 53, 54).

8. Vanne de décharge (50) selon la revendication précédente, dans laquelle ladite caractéristique déterminée comporte la charge (PME) du moteur à combustion interne (1).

9. Vanne de décharge (50) selon l'une des deux revendications précédentes, dans laquelle ladite caractéristique déterminée comporte le régime (R) du moteur à combustion interne (1).

10. Moteur à combustion interne (1) comportant un circuit de lubrification (40) et une ligne d'échappement (30) pourvue d'une turbine (32) et d'un conduit de court-circuitage (35) de la turbine (32), caractérisé en ce qu'il comporte une vanne de décharge (50) selon l'une des revendications précédentes, dont la soupape de court-circuitage (51) est adaptée à obturer ledit conduit de court-circuitage (35).