FR2960258A1

FR2960258A1 - Moteur thermique equipe d'un turbocompresseur de suralimentation

Info

Publication number: FR2960258A1
Application number: FR1053907A
Authority: FR
Inventors: Cyril Peronnet; Olivier Tanneau; Leon Gavric; Thierry Martin; Manuel Tancrez; Bertrand Dreyer; Virginie Seigeot; Patrick Bey; Jean Filipe; Guillaume Lefranc
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2011-11-25
Anticipated expiration: 2030-05-20
Also published as: FR2960258B1; WO2011144833A1

Abstract

L'invention concerne un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur pour comprimer un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur et une turbine entraînant mécaniquement ce compresseur et située en sortie du moteur pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur, un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) étant positionné entre le compresseur et le collecteur d'admission du moteur. L'invention consiste en ce que le conduit monté à l'entrée du refroidisseur d'air de suralimentation présente une longueur L1 et un diamètre D1 choisis de sorte qu'un paramètre B unique et adimensionné représentant la sensibilité du pompage à l'acoustique infra-sonore de la ligne en aval du compresseur, et déterminé en se basant sur l'analyse d'un système simple représenté par le compresseur couplé à un résonateur de Helmholtz (conduit débouchant sur un plénum), dont la formulation B = U / 2 ω L traduit le couplage entre : l'énergie de la roue compresseur (numérateur U : vitesse aube), les modes propres de la ligne d'air (dénominateur ω = pulsation propre du Helmoltz) la masse de la colonne d'air (dénominateur L = longueur du conduit) soit au moins inférieur à une valeur seuil de B, en dessous de laquelle l'instabilité est contenue autour du point de fonctionnement.

Description

Moteur thermique équipé d'un turbocompresseur de suralimentation [0001 L'invention concerne un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur pour comprimer un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur et une turbine entraînant mécaniquement ce compresseur et située en sortie du moteur pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur. Ce moteur peut en outre être équipé d'un circuit de recirculation pour récupérer des gaz d'échappement du moteur afin de les réinjecter en entrée du moteur. Le mélange gazeux admis dans le compresseur est ainsi un mélange d'air frais et de gaz d'échappement recirculés. [0002] L'intérêt de reconduire à l'admission les gaz d'échappement du moteur est de diminuer l'émission de substances polluantes telles que les oxydes d'azote dits Nox. [0003] En effet, ces Nox sont formés par la combinaison à haute température de l'oxygène et de l'azote contenus dans l'air frais alimentant le moteur. Ainsi, le fait de remplacer lors de certaines phases de fonctionnement du moteur, une partie de cet air par des gaz pauvres en oxygène, diminue la quantité d'oxygène disponible et ainsi la formation de Nox. [0004] Ainsi, un moteur diesel suralimenté est alimenté d'une part en air par un conduit d'admission et d'autre part en gaz par un circuit de recirculation de ces gaz.

Dans le conduit d'admission, l'air frais est véhiculé au travers d'un filtre. Sa température et son débit massique sont mesurés respectivement par un capteur de température et un capteur de débit (débitmètre), préalablement à l'introduction au sein du compresseur de cet air. L'air compressé issu du compresseur est soit refroidi par le refroidisseur puis acheminé vers un doseur soit directement véhiculé jusqu'à ce doseur au moyen d'une conduite de dérivation, qui court-circuite le refroidisseur. L'air en sortie du doseur circule jusqu'à une jonction de mélange située en amont de l'admission du moteur. [0005] Un circuit est agencé pour prélever les gaz d'échappement directement à la sortie du moteur à laquelle ces gaz présentent une pression et une température élevées, et les achemine vers la jonction de mélange. Pour ces raisons ce circuit constitue un circuit de recirculation dit haute pression, haute température. Il comprend une vanne de régulation, dite vanne EGR (acronyme de l'expression anglaise Exhaust Gaz Recirculation qui signifie recirculation des gaz d'échappement), ainsi qu'un échangeur de chaleur. [0006] Les gaz issus du moteur qui ne sont pas recirculés sont acheminés vers la turbine du turbocompresseur, au moyen de laquelle ces gaz sont détendus. Ces gaz dits basse pression BP sont épurés par l'intermédiaire d'un catalyseur et filtrés par un filtre à particule, préalablement à leur évacuation au niveau de l'échappement du véhicule. [0007] Au cours du développement de certains moteurs, s'est révélé un problème de pompage compresseur du fait de l'angle d'incidence de l'air sur les aubes qui aboutit à leur « décrochage », ceci induisant, entre autres risques, un défaut acoustique de type bruit de souffle dans les phases de lâcher de pied (décélération brutale, changement de rapport). [0008] L'angle d'incidence critique (issu de la composition vectorielle entre vitesse axiale (débit) et vitesse tangentielle (compression)) est généralement atteint lorsque le débit est insuffisant pour une compression donnée, ce qui matérialise pour un turbocompresseur la limite de pompage (ou « surge line »). [0009] Le pompage du compresseur est ainsi initié par une variation de l'écoulement au niveau des aubes du compresseur (angle d'incidence) aboutissant ainsi au décollement de la couche limite, à une restriction de la section de passage entre deux aubes puis dans l'étage du compresseur, à une réduction voire inversion brutale des débits (l'effort communiqué au fluide ne compensant plus le gradient de pression), à une oscillation du débit d'air en amont et en aval ce qui génère le bruit caractéristique. [0010] Les causes d'un tel pompage sont notamment liées à une aérodynamique de la roue mal dimensionnée, à une modification de l'angle d'incidence sur l'aube. [0011] Le pompage engendre alors des impacts sur la prestation et la qualité tels qu'une dégradation acoustique par l'apparition « d'aboiements », un endommagement du système palier pouvant conduire au départ sur l'huile (si le système palier est insuffisamment renforcé). [0012] Ce phénomène de pompage peut ainsi se manifester par une succession de décrochages qui se traduisent par autant de bouffées sonores. [0013] Un tel phénomène peut se comprendre de la manière suivante : le déclenchement du pompage (décrochage des aubes, dépendant de l'angle d'incidence de l'air sur les ailettes de la roue compresseur), est sensible d'une part à la dynamique du turbo (énergie à la turbine, conséquence de l'état de la boucle gaz et du contrôle commande), et d'autre part à l'écoulement d'air dans le compresseur. [0014] L'entretien (succession de décrochages mentionnée plus haut) et l'intensité du pompage découlent du couplage entre l'écoulement en sortie compresseur et l'acoustique infrasonore de la ligne d'air. Le phénomène est donc sensible aux caractéristiques géométriques de la ligne d'admission. [0015] De plus, le phénomène de pompage induit à chaque décrochage une onde de pression acoustique qui se propage dans la ligne amont compresseur. Il en résulte : - un rayonnement acoustique à la bouche du col d'entrée d'air, d'où une sensibilité certaine au TL de la ligne amont compresseur (TL = Transmission Loss = Facteur d'Atténuation Acoustique) - un rayonnement des composants de la ligne amont, d'où l'importance de leur transparence. [0016] L'invention vise à pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus en remédiant au phénomène de pompage, en particulier en n'entretenant pas ce pompage. A cet effet, l'invention concerne un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur pour comprimer un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur et une turbine entraînant mécaniquement ce compresseur et située en sortie du moteur pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur, un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) étant positionné entre le compresseur et le collecteur d'admission du moteur, caractérisé en ce que le conduit situé à l'entrée du refroidisseur d'air de suralimentation présente une longueur L1 et un diamètre D1 choisis de sorte qu'un paramètre B unique et adimensionné représentant la sensibilité du pompage à l'acoustique infra-sonore de la ligne en aval du compresseur, et déterminé en se basant sur l'analyse d'un système simple représenté par le compresseur couplé à un résonateur de Helmholtz (conduit débouchant sur un plénum) selon le principe de Greitzer, dont la formulation B = U / 2 ma Lo traduit le couplage entre : l'énergie de la roue compresseur (numérateur U : vitesse aube), les modes propres de la ligne d'air (dénominateur w0 = pulsation propre du Helmoltz) la masse de la colonne d'air (dénominateur L = longueur du conduit), soit au moins inférieur à une valeur seuil de B, en dessous de laquelle l'instabilité est contenue autour du point de fonctionnement. [0017] De manière avantageuse, un tel dimensionnement du conduit en aval du 10 compresseur et plus précisément de la partie de conduit à l'entrée du RAS permet de limiter le phénomène de pompage. [0018] De manière avantageuse, en se basant sur la théorie de Greitzer, on propose de définir un paramètre B unique et adimensionné correspondant à la sensibilité du pompage à l'acoustique infra-sonore de la ligne en aval du compresseur. Plus on 15 tend vers un B le plus petit possible, plus on limite le pompage et ceci est atteint en dimensionnant les conduits en aval du compresseur [0019] Le principe de Greitzer repose à la base sur l'analyse d'un système simple, représentant un compresseur couplé à un résonateur de Helmholtz (conduit débouchant sur un plénum). 20 [0020] Il est classique en mécanique de faire pour un tel résonateur de Helmholtz l'analogie avec un système masse ressort. A un régime donné, le compresseur exerce sur le résonateur une force (AP) dépendant du débit. On démontre que la stabilité d'un tel système est garantie si AP évolue de façon inversement proportionnelle au débit (ou par analogie, l'effort évolue inversement au déplacement, 25 ce qui tend à ramener le système à sa position initiale). [0021] Dans le cas contraire (AP augmente avec débit), le système devient instable (au-delà de la limite de pompage pour un champ compresseur), ce qui illustre une situation d'amortissement négatif. [0022] La théorie de Greitzer met en évidence que cette instabilité peut être 30 hiérarchisée selon le paramètre B, dont la formulation B = U / 2 ma Lo traduit le couplage entre : l'énergie de la roue compresseur (numérateur U : vitesse aube), les modes propres de la ligne d'air (dénominateur wo = pulsation propre du Helmoltz) la masse de la colonne d'air (dénominateur Lo = longueur du conduit). [0023] Cette formulation du paramètre B n'est pas sans rappeler par analogie le facteur 13 de décroissance exponentielle d'une onde sinusoïdale (courbe enveloppe 5 de la réponse du système masse ressort). [0024] Dans les cas courants (amortissement positif), l'atténuation de la réponse impulsionnelle est d'autant plus rapide que 13 est élevé. [0025] Dans la présente invention (amortissement négatif), l'instabilité sera d'autant mieux contenue que 13 sera faible et il en est de même pour B. L'affaiblissement de B 10 permet donc de contenir l'instabilité du système autour de son point de fonctionnement. [0026] L'écriture du paramètre de Greitzer sous la forme B-Cte/,IKM (analogie masse-ressort) illustre que cette optimisation passe par la mise au point des paramètres K et M, soit le volume du plenum et la masse de la colonne d'air. 15 [0027] L'adaptation de ce principe à une ligne d'air automobile nécessite de ne plus considérer seulement un Helmoltz mais bien un système à plusieurs degrés de liberté, soit par analogie une succession de systèmes masse ressort. [0028] La formulation dynamique d'un tel système restant basée sur des matrices de Masse M et Raideur K, et des pulsations wo, le principe de Greitzer peut être décliné 20 pour chaque mode (pour chaque valeur propre de la matrice [K-Mw2] diagonalisée). [0029] Ainsi, dans la présente invention, on calcule le B correspondant au ter mode propre de la ligne (valeur propre la plus faible). [0030] La recherche d'affaiblissement du B réalisée par PLEX (plan d'expériences) numérique, permet de dégager une loi de dimensionnement de la ligne aval 25 compresseur, décrite par un choix adéquat des section/longueur du conduit entre compresseur et RAS. [0031] On choisira ensuite la longueur et la section du conduit en fonction des paramètres environnementaux tels que l'encombrement du groupe motopropulseur. [0032] L'invention concerne un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce 30 turbocompresseur comprenant un compresseur pour comprimer un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur et une turbine entraînant mécaniquement ce compresseur et située en sortie du moteur pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur, un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) étant positionné entre le compresseur et le collecteur d'admission du moteur, caractérisé en ce que le conduit fixé à l'entrée du refroidisseur d'air de suralimentation présente un diamètre inférieur ou égal à 38 mm. [0033] En effet, on a pu s'apercevoir qu'avec une telle valeur de dimensionnement du conduit en aval du compresseur permet de limiter le phénomène de pompage. Le diamètre minimal de ce même conduit est défini supérieur ou égal à 15 mm, de sorte à permettre l'alimentation nécessaire en air du moteur. [0034] L'invention concerne également le procédé de fabrication d'un tel moteur thermique. [0035] On décrira maintenant l'invention plus en détails en référence au dessin dans lequel : [0036] Le figure 1 représente une vue schématique d'une ligne d'air classique en 15 aval du compresseur ; [0037] La figure 2 représente une vue schématique d'une ligne d'air en aval du compresseur selon l'invention ; [0038] La figure 3 représente un graphique illustrant le paramètre B en fonction du diamètre du raccord entre le compresseur et le refroidisseur d'air de suralimentation 20 et de la longueur de ce raccord. [0039] Comme on peut le voir sur la figure 1, en sortie du compresseur 3 un conduit 1 permet le raccord vers le refroidisseur d'air de suralimentation RAS 4. [0040] Comme on peut le voir le conduit 1 présente un diamètre Dl et une longueur L1, ces 25 [0041] L'illustration jointe (figure 3) comporte des valeurs numériques de B qui ont été calculées pour un moteur de type Diesel équipé d'un turbo compresseur, représentées en fonction de la longueur L1 en abscisse et du diamètre D1 en ordonnée. Ceci met en évidence une valeur seuil du paramètre B correspondant au seuil d'inversion de pente des lignes d'iso B. Comme on peut le voir sur cette figure, 30 cette valeur seuil de B définit en outre une valeur seuil du diamètre du conduit, diamètre en dessous duquel on aura un paramètre B favorable à l'atténuation du pompage. [0042] Ainsi : - En règle générale pour réduire B, il faut réduire autant que possible le diamètre D1, au moins sous le diamètre critique - Si on sait réduire D1 en dessous de ce diamètre critique, il deviendra favorable d'augmenter la longueur L1 - En cas d'impossibilité à passer sous ce diamètre, il sera par contre indispensable de réduire la longueur L1 à son minimum [0043] Pour le cas d'un moteur du type cité, avec une longueur L1 imposée d'environ 420mm, il est préconisé une diminution forte du diamètre, qui est ainsi réduit de 45-50mm à 35mm, réduisant le B d'environ 0,62 à environ 0, 57. [0044] Le plan d'expérimentation sur moteur a démontré le potentiel de cette solution (maquette de principe = diamètre 35 du compresseur au RAS), induisant une réduction du nombre d'oscillations de près de 20% sur le champ de fonctionnement moteur. [0045] On positionne ainsi en aval du compresseur et plus précisément en entrée du RAS 4, un conduit 1 de diamètre D1 permettant le raccord au RAS en aval du compresseur 3, D1 étant fortement réduit (figure 2) en comparaison du diamètre initial (figure 1). [0046] Des embouts d'adaptation sont montés aux extrémités du conduit 1 pour lui permettre d'être connecté sur le RAS 4 et sur le raccord de sortie du compresseur 3, présentant des raccords de diamètre classique. Ainsi, le diamètre du conduit 1 à l'entrée du RAS 4 est en général inférieur au reste du diamètre de la ligne entre le compresseur 3 et le RAS 4.

Claims

REVENDICATIONS1. Moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur pour comprimer un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur et une turbine entraînant mécaniquement ce compresseur (3) et située en sortie du moteur pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur, un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) (4) étant positionné entre le compresseur (3) et le collecteur d'admission du moteur, caractérisé en ce que le conduit (1) monté à l'entrée du refroidisseur d'air de suralimentation (4) présente une longueur LI et un diamètre Dl choisis de sorte qu'un paramètre B unique et adimensionné représentant la sensibilité du pompage à l'acoustique infra-sonore de la ligne en aval du compresseur, et déterminé en se basant sur l'analyse d'un système simple représenté par le compresseur couplé à un résonateur de Helmholtz (conduit débouchant sur un plénum), dont la formulation B = U / 2 mo Lo traduit le couplage entre : l'énergie de la roue compresseur (numérateur U : vitesse aube), les modes propres de la ligne d'air (dénominateur co = pulsation propre du Helmoltz) la masse de la colonne d'air (dénominateur L = longueur du conduit) soit au moins inférieur à une valeur seuil de B, en dessous de laquelle l'instabilité est contenue autour du point de fonctionnement.
2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre du conduit (1) à l'entrée du RAS (4) est inférieur au reste du diamètre de la ligne entre le compresseur (3) et le RAS (4).
3. Moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur pour comprimer un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur et une turbine entraînant mécaniquement ce compresseur et située en sortie du moteur pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur, un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) étant positionné entre le compresseur et le collecteur d'admission du moteur, caractérisé en ce que le conduit monté à l'entrée du refroidisseur d'air de suralimentation présente un diamètre inférieur ou égal à 38 mm.
4. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le conduit monté à l'entrée du refroidisseur d'air de suralimentation présente un diamètre supérieur ou égal à 15 mm.
5. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le conduit monté à l'entrée du refroidisseur d'air de suralimentation présente un diamètre égal à 35 mm.
6. Procédé de fabrication d'un moteur thermique équipé d'un turbocompresseur, ce turbocompresseur comprenant un compresseur (3) pour comprimer un mélange gazeux à admettre en entrée du moteur et une turbine entraînant mécaniquement ce compresseur (3) et située en sortie du moteur pour détendre les gaz d'échappement issus du moteur, un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) (4) étant positionné entre le compresseur (3) et le collecteur d'admission du moteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape dans laquelle le conduit (1) monté à l'entrée du refroidisseur d'air de suralimentation (4) est défini pour présenter une longueur LI et un diamètre D1 tels qu'un paramètre B unique et adimensionné représentant la sensibilité du pompage à l'acoustique infra-sonore de la ligne en aval du compresseur (3), et déterminé en se basant sur l'analyse d'un système simple représenté par le compresseur couplé à un résonateur de Helmholtz (conduit débouchant sur un plénum) selon le principe de Greitzer, dont la formulation B = U / 2 mo Lo traduit le couplage entre : l'énergie de la roue compresseur (numérateur U : vitesse aube), les modes propres de la ligne d'air (dénominateur coo = pulsation propre du Helmoltz) la masse de la colonne d'air (dénominateur L = longueur du conduit), soit au moins inférieur à une valeur seuil de B, en dessous de laquelle l'instabilité est contenue autour du point de fonctionnement.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on calcule le B correspondant au 1er mode propre de la ligne, c'est-à-dire la valeur propre la plus faible.