FR3015565A1 - Procede de commande d'un systeme de decharge d'une turbine de turbocompresseur - Google Patents

Procede de commande d'un systeme de decharge d'une turbine de turbocompresseur Download PDF

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Abstract

L'invention porte principalement sur un procédé de commande d'un système de décharge (27) d'une turbine de turbocompresseur alimentée par des gaz d'échappement, ledit système de décharge (27) comportant un rotor (28) et un stator (29) munis chacun d'une série d'orifices (281, 291), et un actionneur (30) apte à déplacer en rotation ledit rotor (28) par rapport audit stator (29) de manière à faire varier des sections de passage (S1, S2) de gaz définies chacune par une zone de superposition entre un orifice (281) dudit rotor (28) et un orifice (291) correspondant dudit stator (29), caractérisé en ce que ledit procédé comporte l'étape de piloter de manière cyclique ledit actionneur (30), de manière à faire varier une géométrie des sections de passage (S1, S2) en condition de décharge complète de ladite turbine pour modifier une distribution spatiale de flux de gaz d'échappement en aval de ladite turbine. L'invention a également pour objet la turbine de turbocompresseur correspondante.

Description

PROCEDE DE COMMANDE D'UN SYSTEME DE DECHARGE D'UNE TURBINE DE TURBOCOMPRESSEUR [0001] La présente invention porte sur un procédé de commande d'un système de décharge d'une turbine de turbocompresseur ainsi que sur la turbine correspondante.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des moteurs à combustion interne multicylindres suralimentés. [0002] De façon connue en soi, un turbocompresseur comporte un étage de compression et une turbine. L'étage de compression comprime l'air d'admission afin d'optimiser le remplissage des chambres de combustion. A cet effet, l'étage de compression est placé sur le conduit d'admission de l'air, c'est-à-dire avant le moteur. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation une roue de la turbine qui entraîne alors en rotation une roue de l'étage de compression par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement reliant les deux roues entre elles. Un catalyseur, qui est adapté à traiter les polluants avant leur expulsion vers l'atmosphère extérieure, est monté sur la ligne d'échappement généralement en aval de la turbine. [0003] Les turbocompresseurs comportent un système de décharge associé à un circuit de décharge (ou "by-pass" en anglais) permettant à une partie des gaz d'échappement de ne pas passer par la roue de la turbine. Un système de décharge classique est constitué d'une soupape reliée à un actionneur par l'intermédiaire d'un ensemble de bras de levier.
Cet actionneur est apte à transmettre un effort de translation pour déplacer la soupape de décharge. Un tel dispositif est soumis par sa conception aux efforts aérauliques des gaz provenant du moteur, ce qui crée des turbulences en aval de la turbine. [0004] On connaît par ailleurs une turbine d'un turbocompresseur décrit notamment dans le document W02011/137004, appelé système R-FLOW (marque déposée). Cette turbine référencée 1 sur la figure 1 comporte une entrée 2 destinée à recevoir des gaz d'échappement provenant de la sortie du moteur pour les diriger vers la roue de la turbine 1 via une volute s'étendant autour de la turbine. L'entrée 2 débouche également vers un circuit de décharge 3 de forme globalement annulaire ménagé dans le corps de la turbine 1. Les gaz d'échappement qui sont passés à travers la turbine 1 sont évacués via la sortie 4 de la turbine 1. Contrairement à un circuit de décharge classique, le circuit de décharge 3 est concentrique par rapport à la sortie 4 de la turbine 1. Un catalyseur 5 est monté en aval de la sortie 4. [0005] Le système de décharge 7 d'une telle turbine 1 bien visible sur la figure 2 comporte un rotor 8 et un stator 9 munis chacun d'une série d'orifices respectivement 81 et 91 répartis sur leur circonférence. Le rotor 8 peut être déplacé angulairement par rapport au stator 9 par un actionneur coopérant avec un levier 10 de manière à aligner ou désaligner les orifices du rotor 81 par rapport à ceux 91 du stator 9 pour ouvrir ou fermer le système de décharge 7. L'actionneur permet ainsi de faire varier chaque section de passage S du système de décharge définie par une zone de superposition entre un orifice 81 du rotor 8 et un orifice 91 correspondant du stator 9. La figure 2 montre ainsi le système de décharge respectivement dans un état ouvert (les ouvertures 81 et 91 se superposent complètement les unes par rapport aux autres en sorte que les sections S sont maximales), dans un état d'ouverture partielle (les orifices 81 et 91 se superposent partiellement les unes par rapport aux autres en sorte que les sections S sont réduites) et dans un état complètement fermé (les orifices 81 et 91 sont complètement décalés les uns par rapport aux autres en sorte que les sections S sont nulles). [0006] Par rapport au dispositif classique, un tel système de décharge 7 permet de réduire sensiblement les efforts d'actionnement et d'améliorer la capacité de décharge de la turbine 1 pour réduire les pertes par pompage du moteur. Toutefois, le problème d'un tel système provient du fait que les flux F de gaz provenant du circuit de décharge 3 vers le flux en aval de la turbine (soit en amont du catalyseur 5) présentent une distribution équilibrée. En conséquence, ce système produit moins de turbulence de flux en amont du catalyseur 5 qu'un turbocompresseur classique, ce qui diminue le coefficient de transfert de chaleur entre les gaz d'échappement et le catalyseur. Cette réduction de transfert de chaleur peut entraîner une augmentation du temps de chauffe du catalyseur. [0007] La présente invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un procédé de commande d'un système de décharge d'une turbine de turbocompresseur alimentée par des gaz d'échappement, ledit système de décharge comportant un rotor et un stator munis chacun d'une série d'orifices, et un actionneur apte à déplacer en rotation ledit rotor par rapport audit stator de manière à faire varier des sections de passage de gaz définies chacune par une zone de superposition entre un orifice dudit rotor et un orifice correspondant dudit stator, caractérisé en ce que ledit procédé comporte l'étape de piloter de manière cyclique ledit actionneur, de manière à faire varier une géométrie des sections de passage en condition de décharge complète de ladite turbine pour modifier une distribution spatiale de flux des gaz d'échappement en aval de ladite turbine. [0008] L'invention permet ainsi d'introduire de façon dynamique une variation de turbulence dans les flux des gaz d'échappement en aval de la turbine tout en conservant une perméabilité constante à condition de décharge complète de la turbine. On réduit ainsi le temps de montée en température du catalyseur, ce qui permet de réduire le niveau de dégradation de la combustion pendant cette phase et donc la consommation en carburant. [0009] Selon une mise en oeuvre, ledit actionneur est piloté de manière à faire varier une position angulaire dudit rotor entre une première position angulaire dans laquelle une somme des aires d'un premier groupe de sections de passage est inférieure à une somme des aires d'un deuxième groupe de sections de passage, et une deuxième position angulaire dans laquelle la somme des aires du premier groupe de sections de passage est supérieure à la somme des aires du deuxième groupe de sections de passage. [0010] Selon une mise en oeuvre, une section totale de passage du système de décharge dans la première position angulaire dudit rotor est égale à la section totale de passage du système de décharge dans la deuxième position angulaire du rotor. [0011] Selon une mise en oeuvre, le premier et le deuxième groupe de sections de passage comportent chacun au moins deux sections de passage des gaz d'échappement. [0012] Selon une mise en oeuvre, une période de cycle entre la première et la deuxième position angulaire dudit rotor est comprise entre 0.5 et 5 cycles d'un moteur à quatre temps. [0013] Selon une mise en oeuvre, la période de cycle est comprise entre 10 et 500 millisecondes. [0014] Selon une mise en oeuvre, la position angulaire dudit rotor évolue en fonction du temps suivant un signal périodique de forme triangulaire ou sinusoïdale. [0015] Selon une mise en oeuvre, la position angulaire du rotor évolue en fonction du temps suivant un signal périodique de forme trapézoïdale, en sorte que la première et la deuxième positions angulaires dudit rotor sont maintenues chacune pendant une durée de palier supérieure, ou inférieure, à une durée de transition entre la première et la deuxième positions angulaires dudit rotor. [0016] Selon une mise en oeuvre, ledit actionneur est de type électrique, hydraulique, pneumatique, ou électromagnétique. [0017] L'invention a également pour objet une turbine de turbocompresseur comportant un système de décharge muni d'un rotor et d'un stator ayant chacun une série d'orifices, et d'un actionneur apte à déplacer ledit rotor par rapport audit stator de manière à faire varier des sections de passage de gaz définies chacune par une zone de superposition entre un orifice dudit rotor et un orifice correspondant dudit stator, caractérisé en ce que les orifices dudit rotor et dudit stator sont configurés par usinage de telle sorte qu'il existe au moins une première position et une deuxième position dudit rotor correspondant à une décharge complète de ladite turbine, et en ce qu'une géométrie des sections de passage dans la première position est différente d'une géométrie des sections de passage dans la deuxième position. [0018] 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. [0019] La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'une turbine d'un turbocompresseur selon l'état de la technique muni d'un système de décharge comportant un rotor associé à un stator; [0020] La figure 2, déjà décrite, est une représentation schématique de différents états du système de décharge de la turbine de la figure 1; [0021] La figure 3 est une représentation schématique d'une turbine d'un turbocompresseur selon l'invention muni d'un système de décharge modifié; [0022] La figure 4 est une courbe montrant l'évolution de la section totale du système de décharge en fonction de la position angulaire du rotor du système de décharge selon la présente invention; [0023] Les figures 5a et 5b montrent l'état du système de décharge respectivement lorsque le rotor se trouve dans une des deux positions extrêmes pour lesquelles la turbine est en condition de décharge complète; [0024] Les figures 6a et 6b sont des vues en coupe suivant l'axe YY de la figure 5b faisant apparaître la répartition de flux de gaz d'échappement en aval de la turbine respectivement lorsque le rotor se trouve dans une des deux positions pour lesquelles la turbine est en condition de décharge complète; [0025] La figure 7 est une courbe représentant l'évolution de la position angulaire du rotor du système de décharge en fonction du temps lors de la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. [0026] Sur les figures 3 à 7, les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent les mêmes références d'une figure à l'autre. [0027] La figure 3 montre une turbine 20 modifiée d'un turbocompresseur décrit notamment dans le document W02011/137004, appelé système R-FLOW (marque déposée). Cette turbine 20 comporte une entrée 21 apte à recevoir les gaz d'échappement provenant de la sortie du moteur thermique pour alimenter une roue de la turbine 20 (non visible) via une volute. L'entrée 21 des gaz d'échappement débouche également vers un circuit de décharge 22 de forme globalement annulaire ménagé dans le corps de la turbine 20. Les gaz d'échappement qui sont passés à travers la turbine 20 sont évacués via la sortie 23 de la turbine 20. Le circuit de décharge 22 est concentrique par rapport à la sortie 23 de la turbine 20. Un catalyseur 25, qui est adapté à traiter les polluants avant leur expulsion vers l'atmosphère extérieure, est monté en aval de la sortie 23. [0028] Le système de décharge 27 de la turbine 20 bien visible sur les figures 5a et 5b comporte un rotor 28 et un stator 29 munis chacun d'une série d'orifices 281 et 291 répartis sur leur circonférence. Le rotor 28 peut être déplacé angulairement par rapport au stator 29 par un actionneur 30 coopérant avec un levier 31 de manière faire varier des sections de passage 51, S2 définies chacune par une zone de superposition entre un orifice 281 du rotor 28 et un orifice 291 correspondant du stator 29. L'actionneur 30 est de type électrique, hydraulique, pneumatique, ou électromagnétique. [0029] La variation de la position P angulaire du rotor 28 permet ainsi de faire varier, sur la plage P1 de la figure 4, la section totale de passage Stot du système de décharge 27, qui est égale à la somme des aires de toutes les sections de passage 51, S2 du système de décharge 27. Par ailleurs, les orifices 281, 291 du rotor 28 et du stator 29 sont configurés par usinage de telle sorte qu'il existe une pluralité de positions angulaires P situées entre une première position A et une deuxième position B (cf. plage P2 sur la figure 4) correspondant à une décharge complète de la turbine 20, c'est-à-dire des positions angulaires P pour lesquelles la section totale de passage Stot du système de décharge 27 est maximale. [0030] Plus précisément, comme cela est visible sur les figures 5a et 5b, la géométrie des sections de passage S1, S2 est différente dans la position A par rapport à la position B. En effet, dans la première position angulaire A, une somme des aires d'un premier groupe de sections de passage S1 est inférieure à une somme des aires d'un deuxième groupe de sections de passage S2. Dans la deuxième position angulaire, la somme des aires du premier groupe de sections de passage S1 est supérieure à la somme des aires du deuxième groupe de sections de passage S2. Par ailleurs, la section totale de passage Stot du système de décharge 27 dans la première position A est égale à la section totale de passage Stot du système de décharge 27 dans la deuxième position B qui est maximale, comme cela ressort de la figure 4. [0031] En l'occurrence, le premier groupe de sections de passage S1 et le deuxième groupe de sections de passage S2 comportent chacun deux sections de passage de gaz. Toutefois, chaque groupe pourra bien entendu présenter plus de deux sections S1 ou S2. En variante, le système de décharge 27 comporte trois groupes ou plus ayant des sections de géométrie variable différentes. En variante, il serait également possible de faire varier la géométrie d'une seule section de passage en condition de décharge complète. [0032] Conformément au procédé de commande selon l'invention, l'actionneur 30 est piloté de manière cyclique en condition de décharge complète de la turbine 20, de manière à faire varier de manière cyclique la position du système de décharge 27 entre les positions A et B. Une telle commande de l'actionneur 30 permet de modifier de manière cyclique une distribution spatiale de flux de gaz échappement en aval de la turbine 20. [0033] Ainsi, le flux de gaz F1 dans la zone supérieure est plus important que le flux de gaz F2 dans la zone inférieure en aval de la turbine 20 lorsque le système de décharge 27 se trouve dans la position A (cf. figure 6a). En revanche, le flux de gaz F2 dans la zone inférieure est plus important que le flux F1 dans la zone supérieure en aval de la turbine 20 lorsque le système de décharge 27 se trouve dans la position B (cf. figure 6b). [0034] La modification de la position P du système de décharge 27 permet ainsi d'introduire de façon dynamique une variation de turbulence dans les flux des gaz d'échappement en aval de la turbine 20 tout en conservant une perméabilité constante à condition de décharge complète de la turbine 20. On réduit ainsi le temps de montée en température du catalyseur 25, ce qui permet de réduire le niveau de dégradation de la combustion pendant cette phase et donc la consommation en carburant du moteur. [0035] Comme on peut le voir à la figure 7, la position angulaire P du rotor 28 entre les positions A et B évolue en fonction du temps suivant un signal périodique de forme triangulaire (courbe C1) ou sinusoïdale (courbe C2). Alternativement, la position angulaire pourra aussi évoluer suivant un signal périodique de forme trapézoïdale (courbe C3), en sorte que la première et la deuxième positions A, B sont maintenues chacune pendant une durée de palier respectivement TA, TB supérieure, inférieure, ou même égale à la durée de transition (soit la durée de la rampe) entre la première position A et la deuxième position B. De préférence, la durée de palier TA, TB est supérieure à la durée de transition. Les durées de palier TA et TB pourront être identiques ou différentes. [0036] Une période de cycle Tc entre la première position A et la deuxième position B est comprise entre 0.5 et 5 cycles d'un moteur à quatre temps. De préférence, la période de cycle Tc est comprise entre 10 et 500 millisecondes. Le temps de cycle entre les positions A et B n'a pas nécessairement besoin d'être synchronisé à la vitesse du régime moteur. [0037] Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution par tous autres équivalents.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS: 1. Procédé de commande d'un système de décharge (27) d'une turbine (20) de turbocompresseur alimentée par des gaz d'échappement, ledit système de décharge (27) comportant un rotor (28) et un stator (29) munis chacun d'une série d'orifices (281, 291), et un actionneur (30) apte à déplacer en rotation ledit rotor (28) par rapport audit stator (29) de manière à faire varier des sections de passage (S1, S2) de gaz définies chacune par une zone de superposition entre un orifice (281) dudit rotor (28) et un orifice (291) correspondant dudit stator (29), caractérisé en ce que ledit procédé comporte l'étape de piloter de manière cyclique ledit actionneur (30), de manière à faire varier une géométrie des sections de passage (51, S2) en condition de décharge complète de ladite turbine (20) pour modifier une distribution spatiale de flux (F1, F2) des gaz d'échappement (F1, F2) en aval de ladite turbine (20).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit actionneur (30) est piloté de manière à faire varier une position angulaire (P) dudit rotor (28) entre une première position angulaire (A) dans laquelle une somme des aires d'un premier groupe de sections de passage (S1) est inférieure à une somme des aires d'un deuxième groupe de sections de passage (S2), et une deuxième position angulaire (B) dans laquelle la somme des aires du premier groupe de sections de passage (S1) est supérieure à la somme des aires du deuxième groupe de sections de passage (S2).
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une section totale de passage (Stot) du système de décharge (27) dans la première position (A) angulaire dudit rotor (28) est égale à la section totale de passage (Stot) du système de décharge (27) dans la deuxième position (B) angulaire du rotor (28).
  4. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le premier et le deuxième groupe de sections de passage (S1, S2) comportent chacun au moins deux sections de passage des gaz d'échappement.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'une période de cycle (Tc) entre la première (A) et la deuxième (B) position angulaire dudit rotor (28) est comprise entre 0.5 et 5 cycles d'un moteur à quatre temps.
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la période de cycle (Tc) est comprise entre 10 et 500 millisecondes.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la position angulaire dudit rotor (28) évolue en fonction du temps suivant un signal périodique de forme triangulaire (C1) ou sinusoïdale (C2).
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la position angulaire (P) du rotor (28) évolue en fonction du temps suivant un signal périodique de forme trapézoïdale (C3), en sorte que la première et la deuxième positions angulaires (A, B) dudit rotor (28) sont maintenues chacune pendant une durée de palier (TA, TB) supérieure, ou inférieure, à une durée de transition entre la première (A) et la deuxième (B) positions angulaires dudit rotor.
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit actionneur (30) est de type électrique, hydraulique, pneumatique, ou électromagnétique.
  10. 10. Turbine de turbocompresseur (20) comportant un système de décharge (27) muni d'un rotor (28) et d'un stator (29) ayant chacun une série d'orifices (281, 291), et d'un actionneur (30) apte à déplacer ledit rotor (28) par rapport audit stator (29) de manière à faire varier des sections de passage (Si, S2) de gaz définies chacune par une zone de superposition entre un orifice (281) dudit rotor (28) et un orifice correspondant (291) dudit stator (29), caractérisé en ce que les orifices (281, 291) dudit rotor (28) et dudit stator (29) sont configurés par usinage de telle sorte qu'il existe au moins une première position (A) et une deuxième position (B) dudit rotor (28) correspondant à une décharge complète de ladite turbine (20), et en ce qu'une géométrie des sections de passage (51, S2) dans la première position (A) est différente d'une géométrie des sections de passage (51, S2) dans la deuxième position (B).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5146752A (en) * 1989-12-18 1992-09-15 Dr. Ing. H.C.F. Porsche Ag Exhaust gas turbocharger on an internal-combustion engine
US20110016855A1 (en) * 2008-03-19 2011-01-27 Masahiro Shimizu Method and System For Warming Up Catalytic Converter for Cleaning Up Exhaust Gas
WO2011137004A2 (fr) * 2010-04-30 2011-11-03 Honeywell International Inc. Turbocompresseur comprenant des aubes de distributeur de turbine et une soupape de dérivation rotative annulaire

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