FR3027955A1 - Moteur thermique suralimente avec circuit de recirculation en derivation de la turbine - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur un moteur thermique suralimenté de véhicule automobile, le moteur présentant une ligne d'admission en air (9) et une ligne d'échappement des gaz (7) sortant du moteur après combustion, le moteur comprenant un turbocompresseur comportant un compresseur (8) dans la ligne d'alimentation en air (9) et une turbine (5) dans la ligne d'échappement (7). Il est prévu un circuit de recirculation des gaz d'échappement en dérivation de la turbine (5), le circuit de recirculation collectant les gaz d'échappement dans la ligne d'échappement (7) par une entrée (10a) en aval de la turbine (5) et les faisant recirculer en débouchant par une sortie (10b) en amont de la turbine (5), la ligne d'échappement (7) présentant une vanne de dosage (14) réglant par son ouverture le débit de gaz recirculés dans le circuit de recirculation. Application dans le domaine des véhicules automobiles.

Description

MOTEUR THERMIQUE SURALIMENTE AVEC CIRCUIT DE RECIRCULATION EN DERIVATION DE LA TURBINE [0001] La présente invention concerne le domaine des moteurs thermiques suralimentés en présentant un turbocompresseur avec une turbine dans la ligne d'échappement et un compresseur dans la ligne d'admission d'air du moteur thermique. [0002] Plus particulièrement, l'invention porte sur un moteur thermique suralimenté présentant un circuit de recirculation en dérivation de la turbine dans la ligne d'échappement du moteur, le circuit de recirculation faisant recirculer en amont de la turbine une partie des gaz d'échappement pris en aval de la turbine. [0003] Les nouvelles normes en vigueur de même que les demandes des consommateurs liées au contrôle de la consommation du véhicule et au contrôle des émissions de polluants dans les gaz d'échappement issus d'un moteur thermique d'un véhicule automobile ont entraîné d'importantes modifications dans la ligne d'échappement et dans les moteurs thermiques. [0004] A ce sujet, la réduction de la taille de la cylindrée d'un moteur, autrement dénommée sous l'appellation anglaise de « downsizing » a été considérée comme une solution adéquate à mettre en oeuvre pour le contrôle des émissions de polluants provenant du moteur. Cette solution permet en effet de déplacer les points de fonctionnement du moteur dans des zones de meilleur rendement par une réduction des pertes par pompage, ce qui permet une meilleure combustion dans le moteur et une diminution de la consommation de carburant. [0005] L'objectif suivi dans cette solution est donc de réduire la cylindrée tout en conservant une puissance de moteur identique. La consommation et donc les émissions de CO2 sont réduites principalement du fait de la baisse des pertes par frottement et des pertes par pompage. [0006] Pour conserver une puissance de moteur identique, la perte de cylindrée doit donc être compensée. Pour ce faire, les moteurs à cylindrée réduite sont suralimentés pour compenser la perte de cylindrée en comprenant un turbocompresseur. [0007] De tels moteurs présentent cependant l'inconvénient d'avoir un retard sur le temps de réponse en couple en phases transitoires aussi appelé retard turbocompresseur, aussi connu sous la dénomination anglaise de « turbo-Lag », ceci particulièrement dans des phases de début d'accélération initié par le conducteur. Ce retard turbocompresseur est dû à l'inertie du système de suralimentation. Ceci est applicable pour de nombreux types de moteur et n'est pas seulement spécifique aux moteurs à cylindrée réduite, bien que les moteurs à cylindrée réduite soient particulièrement affectés par ce problème. [0008] Il existe donc un temps de réponse de la turbine du turbocompresseur vis-à-vis d'une sollicitation en accélération du conducteur. En effet, lorsque le conducteur souhaite obtenir du couple, il appuie sur l'accélérateur, ce qui a pour effet d'augmenter la quantité d'air entrant dans le cylindre et par suite la quantité de gaz sortant. C'est ce débit de gaz d'échappement qui va, petit à petit, entraîner l'accélération de la roue de la turbine afin d'augmenter le taux de compression du compresseur et permettre d'obtenir encore plus d'air entrant dans le cylindre, c'est-à-dire encore plus de couple. Mais cet effet n'est pas immédiat. [0009] Par conséquent, le problème à la base de la présente invention est, pour un moteur thermique de véhicule automobile turbocompressé, de réduire le temps de réponse de la turbine du turbocompresseur en phases transitoires de fonctionnement du moteur thermique lorsqu'une accélération est demandée par le conducteur du véhicule. [0010] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un moteur thermique suralimenté de véhicule automobile, le moteur présentant une ligne d'admission en air et une ligne d'échappement des gaz sortant du moteur après combustion, le moteur comprenant un turbocompresseur comportant un compresseur dans la ligne d'alimentation en air et une turbine dans la ligne d'échappement, caractérisé en ce qu'il est prévu un circuit de recirculation des gaz d'échappement en dérivation de la turbine, le circuit de recirculation collectant tout ou une partie des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement par une entrée en aval de la turbine et les faisant recirculer en débouchant par une sortie en amont de la turbine, la ligne d'échappement présentant une vanne de dosage réglant par son ouverture le débit de gaz recirculés dans le circuit de recirculation. [0011] L'effet technique obtenu par le système de dérivation est l'augmentation du débit passant par la turbine, ce qui accélère sa mise en rotation et réduit le phénomène de retard du turbocompresseur. Ainsi, la dynamique de la turbine est augmentée sans attendre que le débit du compresseur n'augmente. [0012] Avantageusement, la vanne de dosage est pilotée par un calculateur du contrôle du moteur thermique. [0013] Avantageusement, l'ouverture de la vanne de dosage est réglable entre plusieurs positions d'ouverture correspondant à des débits différents de gaz d'échappement recirculés, ces débits étant déterminés par le calculateur pour correspondre aux couples demandés par le conducteur à des instants donnés respectifs. [0014] Avantageusement, une pompe de recirculation est prévue dans le circuit de recirculation pour entraîner les gaz en amont de la turbine. [0015] Avantageusement, le circuit de recirculation comprend des moyens de création d'un effet venturi accélérant les gaz recirculés en amont de la turbine. [0016] Avantageusement, les moyens de création d'un effet venturi comprennent une rampe se trouvant entre la pompe de recirculation et la sortie du circuit de recirculation en amont de la turbine. [0017] Avantageusement, la rampe présente un premier coude en sortie du circuit de recirculation dirigeant les gaz recirculés en amont de la turbine. [0018] Avantageusement, la rampe présente un deuxième coude après l'entrée du circuit de recirculation dirigeant les gaz recirculés en amont de la turbine. [0019] L'invention concerne aussi un procédé de commande de la vanne de dosage dans la ligne d'échappement d'un tel moteur thermique suralimenté avec un turbocompresseur, la vanne de dosage permettant, de par son degré d'ouverture, de réguler le débit de gaz d'échappement dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement en dérivation d'aval en amont de la turbine, caractérisé en ce que la recirculation des gaz d'échappement par le circuit de recirculation s'effectue pendant les phases transitoires de fonctionnement du moteur thermique. [0020] Avantageusement : - en phase stabilisée de fonctionnement du moteur thermique, la vanne de dosage ferme le circuit de recirculation et laisse passer la totalité du débit des gaz d'échappement par la ligne d'échappement, - en phase transitoire, lors d'une demande de couple par le conducteur, la vanne de dosage est pilotée dans une de ses positions d'ouverture du circuit de recirculation, en laissant passer, selon son degré d'ouverture, un débit plus ou moins important de gaz d'échappement dans le circuit de recirculation, - la vanne de dosage régule le débit des gaz dans le circuit de recirculation jusqu'à ce que la pleine charge du moteur soit atteinte, - une fois la pleine charge atteinte ou un peu avant cette atteinte, la vanne de dosage ferme le circuit de recirculation, le débit total des gaz d'échappement sortant par la ligne d'échappement. [0021] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur thermique suralimenté présentant un dispositif de recirculation des gaz en amont de la turbine du turbocompresseur, ce moteur étant conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 est une représentation schématique d'un moteur thermique suralimenté présentant un dispositif de recirculation des gaz en amont de la turbine du turbocompresseur, ce moteur étant conforme à un deuxième mode de réalisation de la présente invention. [0022] Il est à garder à l'esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l'invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité. [0023] En se référant aux figures 1 et 2, ces figures montre un moteur thermique qui présente un carter cylindre 1 intégrant quatre cylindres dont un seul est référencé 2, le nombre de cylindres n'étant pas limitatif. De manière classique, le moteur comporte aussi un collecteur d'admission 3 d'air et un collecteur d'échappement 4 des gaz sortant des cylindres 2 par une ligne d'échappement 7. [0024] Dans les formes de réalisation montrées aux figures, le moteur thermique est un moteur thermique suralimenté et donc associé à un turbocompresseur 5, 8. La turbine 5 du turbocompresseur est disposée en aval du collecteur d'échappement 4 tandis que le compresseur 8 est disposé en amont du collecteur d'admission 3 d'air au moteur. [0025] La turbine 5 est mise en rotation par les gaz d'échappement quittant le collecteur d'échappement 4 par la ligne d'échappement 7 et peut entraîner le compresseur 8 traversé par de l'air frais destiné à alimenter en air le moteur, l'air étant amené par une ligne d'alimentation en air 9. [0026] A la sortie du compresseur 8, l'air qui est alors appelé air de suralimentation est refroidi dans un refroidisseur d'air de suralimentation 11, avantageusement un refroidisseur à eau pour air de suralimentation. Cet air est ensuite amené par la ligne d'alimentation en air 9 vers une vanne papillon 12 qui régule le débit d'air dans le collecteur d'admission 3 d'air du moteur. [0027] A la sortie de la turbine 5, les gaz d'échappement sont évacués par la ligne d'échappement 7 du véhicule automobile en traversant des moyens de dépollution 6 des gaz d'échappement, par exemple un ou des catalyseurs, notamment d'oxydation, de réduction ou trois voies associés ou non avec un filtre à particules. Un système de réduction catalytique sélective ou système RCS et/ou un piège à oxydes d'azote passif ou actif peuvent aussi être prévus comme moyens de dépollution. [0028] Ces moyens de dépollutions peuvent traiter sélectivement un polluant ou peuvent être aptes à traiter simultanément plusieurs polluants, par exemple de manière non limitative, comme un filtre à particules imprégné de réducteur RCS qui effectue une dépollution en oxydes d'azote tout en retenant les particules de suie. [0029] Les caractéristiques précédemment mentionnées sont communes à tout moteur thermique suralimenté. De manière non limitative, un tel moteur thermique suralimenté peut aussi comprendre une ligne RGE pour Recirculation des Gaz à l'Echappement afin de faire recirculer les gaz d'échappement vers l'admission d'air du moteur thermique pour réduire les émissions d'oxydes d'azote. Un tel système est aussi connu sous l'acronyme anglo-saxon de EGR pour « Exhaust Gas recirculation ». [0030] Dans ce cas, il peut être prévu une vanne RGE de régulation pour le contrôle précis du débit des gaz d'échappement réintroduits dans le collecteur d'admission 3 puis le carter cylindre 1 du moteur, cette vanne RGE de régulation étant associée ou non avec un mélangeur. [0031] En effet, un débit trop important de gaz d'échappement peut provoquer une perte de puissance du moteur et causer des à-coups dans le fonctionnement du moteur tandis qu'un débit trop faible peut entraîner une surémission d'oxydes d'azote. Ceci n'est cependant pas obligatoire et la présence d'une ligne RGE n'est pas essentielle pour la présente invention. [0032] Le principe de l'invention est basé sur l'augmentation rapide du débit de gaz d'échappement passant au travers de la turbine 5, ces gaz d'échappement étant amené par la ligne d'échappement 7. Pour ce faire, il est proposé de prévoir un circuit de recirculation 10 des gaz d'échappement en dérivation de la turbine 5. [0033] Le circuit de recirculation 10 des gaz d'échappement en dérivation de la turbine 5, collecte une partie des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement 7 par une entrée 10a en aval de la turbine 5 et les faits recirculer en débouchant par une sortie 10b en amont de la turbine 5. La ligne d'échappement 7 présente une vanne de dosage 14 réglant par son ouverture le débit de gaz recirculés dans le circuit de recirculation 10. [0034] C'est quand la vanne de dosage 14 est ouverte que le circuit de recirculation peut collecter tout ou une partie des gaz d'échappement. Quand la vanne de dosage 14 est fermée, le débit total des gaz d'échappement est évacué par la ligne d'échappement 7 vers la sortie de la ligne 7 après avoir traversé les moyens de dépollution 6. La vanne de dosage 14 peut être montée dans la ligne d'échappement 7 en aval de la turbine 5, notamment un peu en aval de l'entrée 10a du circuit de recirculation 10. [0035] L'amont de la turbine 5 est pris en regard de l'écoulement des gaz d'échappement dans la ligne d'échappement 7 et est donc tourné vers le moteur thermique en caractérisant la partie de la turbine 5 la plus proche du moteur tandis que l'aval de la turbine 5 se trouve la plus proche de la sortie de la ligne d'échappement 7 se trouvant après les moyens de dépollution 6. [0036] De manière particulièrement avantageuse, une pompe de recirculation 13 peut être prévue dans le circuit de recirculation 10 pour entraîner les gaz en amont de la turbine 5. [0037] La vanne de dosage 14 peut être pilotée par un calculateur d'un système de contrôle du moteur thermique, ce système étant appelé fréquemment contrôle moteur, et peut être mis automatiquement en une position de fermeture ou des positions différentes d'ouverture avec un débit plus ou moins important des gaz d'échappement dans le circuit de recirculation 10. [0038] L'ouverture de la vanne de dosage 14 est donc réglable entre plusieurs positions d'ouverture correspondant à des débits différents de gaz d'échappement recirculés, ces débits étant déterminés par le calculateur pour correspondre aux couples demandés par le conducteur à des instants donnés respectifs. [0039] Ainsi selon un procédé de commande de la vanne de dosage 14 dans la ligne d'échappement 7 d'un tel moteur thermique suralimenté avec un turbocompresseur, la vanne de dosage 14 permet, de par son degré d'ouverture, de réguler le débit de gaz d'échappement dans le circuit de recirculation 10 des gaz d'échappement en dérivation d'aval en amont de la turbine 5. [0040] Cette recirculation des gaz d'échappement par le circuit de recirculation 10 s'effectue pendant les phases transitoires de fonctionnement du moteur thermique, essentiellement des phases d'accélération initiées par le conducteur. [0041] En effet, les moteurs turbocompressés ont des pentes de montée en couple ou PMC assez faibles, ceci étant dû à l'inertie de mise en rotation de la turbine 5. Pour augmenter cette pente de mise en couple, la présente invention propose d'utiliser tout ou une partie des gaz d'échappement en sortie de la turbine 5, donc en aval de la turbine 5 dans la ligne d'échappement 7 et de les réintroduire dans la ligne d'échappement 7 en amont de la turbine 5. Le débit de gaz d'échappement à faire recirculer est déterminé par le calculateur du contrôle moteur qui pilote la vanne de dosage 14 en conséquence. [0042] Une mise en oeuvre du procédé selon la présente invention peut être la suivante. Dans le procédé selon l'invention, il est différencié des phases stabilisées de fonctionnement du moteur et des phases transitoires de fonctionnement. [0043] En phase stabilisée de fonctionnement du moteur thermique, la vanne de dosage 14 ferme le circuit de recirculation 10 et laisse passer la totalité du débit des gaz d'échappement par la ligne d'échappement 7 vers les moyens de dépollution 6 puis la sortie de la ligne d'échappement. Ceci correspond au fonctionnement normal de la ligne d'échappement 7 avec la même perte de charge. [0044] Dans une phase transitoire, par exemple lors d'une demande de couple par le conducteur, la vanne de dosage 14 est pilotée dans une de ses positions d'ouverture du circuit de recirculation 10, en laissant passer, selon son degré d'ouverture, un débit plus ou moins important de gaz d'échappement dans le circuit de recirculation 10. Les débits peuvent être prédéterminées lors d'essais et une cartographie peut être élaborée en conséquence. [0045] Quand une pompe de recirculation 13 est prévue dans le circuit de recirculation 10, cette pompe 13 est alors actionnée afin de permettre ou d'intensifier la recirculation des gaz d'échappement. Comme ces gaz recirculés sont introduits en amont de la turbine 5, cette turbine 5 voit alors le débit la traversant augmenter d'où une augmentation de sa puissance, cette puissance étant proportionnelle au débit traversant la turbine 5. [0046] La vanne de dosage 14 régule le débit des gaz dans le circuit de recirculation 10 jusqu'à ce que la pleine charge du moteur soit atteinte. Ceci peut se traduire par une diminution progressive du débit des gaz d'échappement dans le circuit de recirculation 10 du fait d'une diminution de l'ouverture de la vanne de dosage 14 pour ne pas augmenter la contre pression dans la ligne d'échappement 7. [0047] Une fois la pleine charge atteinte ou un peu avant cette atteinte, donc un retour à une phase de fonctionnement stabilisée, la vanne de dosage 14 ferme le circuit de recirculation 10, le débit total des gaz d'échappement passant par la ligne d'échappement 7 vers les moyens de dépollution 6 et la sortie de la ligne 7. Quand présente dans le circuit de recirculation 10, la pompe de recirculation 13 est arrêtée et la ligne d'échappement 7 évolue en pleine charge comme en fonctionnement normal. [0048] Un tel procédé permet donc de diminuer sensiblement le retard sur le temps de 15 réponse en couple en phase transitoire de la turbine 5 aussi appelé retard turbocompresseur, tout en gardant les mêmes caractéristiques en pleine charge ou en phases stabilisées. [0049] Le circuit de recirculation 10 peut comprendre des moyens de création d'un effet venturi accélérant les gaz recirculés en amont de la turbine 5, étant donné qu'un débit fort 20 des gaz passant par le circuit de recirculation 10 peut être souhaité. [0050] Comme montré à la figure 2, dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, les moyens de création d'un effet venturi peuvent comprendre une rampe 15 se trouvant entre la pompe de recirculation 13, quand présente, et la sortie 10b du circuit de recirculation 10 en amont de la turbine 5. Cette rampe 15 peut être coudée, 25 avantageusement coudée à chacune de ses extrémités. [0051] La rampe 15 présente un premier coude 15a en sortie du circuit de recirculation 10 dirigeant les gaz recirculés en amont de la turbine 5. Il est très avantageux de bien orienter le flux de gaz d'échappement sortant du circuit de recirculation 10 par sa sortie 10b afin que les gaz ne soient pas dirigés vers le collecteur d'échappement 4 en 30 contresens des gaz d'échappement. [0052] Ceci est obtenu par la rampe 15 et son premier coude 15a orientant les gaz d'échappement quittant le circuit de recirculation 10 dans le sens des gaz d'échappement se trouvant dans la ligne d'échappement 7 et donc dans le sens opposé au collecteur d'échappement 4. [0053] Une telle rampe 15 présente avantageusement alors deux fonctions, d'une part, diriger le flux de gaz du circuit de recirculation 10 en étant placée avantageusement plus près de la sortie du circuit de recirculation 10 que la pompe de recirculation 13 et, d'autre part, créer une sorte d'effet venturi favorisant la recirculation en accélérant les gaz passant par le circuit de recirculation 10. [0054] La rampe 15 peut présenter un deuxième coude 15b après l'entrée 10a du circuit de recirculation 10 dirigeant les gaz recirculés en amont de la turbine 5 et avantageusement avant la pompe de recirculation 13. [0055] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'a titre d'exemples.