Système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne

L'invention concerne un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, fonctionnant en permanence en mode bi-turbo et dont les deux turbines des dispositifs turbocompresseurs haute pression et basse pression passent de façon continue du mode de fonctionnement en série au mode de fonctionnement en parallèle. Elle concerne également un procédé de mise en œuvre d'un tel système.

Le problème technique qu'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne doit résoudre est l'augmentation des performances spécifiques du moteur et la réduction du niveau d'émissions polluantes pour répondre aux normes actuelles et futures.

Actuellement, il existe des systèmes de suralimentation bi-turbo séquentielle série ou parallèle tels que décrits dans la demande de brevet publiée sous le numéro US 2006/0021347, au nom de Ford Global Technologies. Ces systèmes nécessitent de prévoir un « by-pass » pour un des deux dispositifs turbocompresseurs dans certains modes de fonctionnement et de ne fonctionner en mode bi-turbo que sur une plage limitée d'utilisation du moteur.

Il existe également des architectures de système de suralimentation à double étage de type « série/parallèle » qui permettent de fonctionner constamment en mode bi-turbo, mais ils sont extrêmement complexes à réaliser.

Le but de l'invention est de réaliser un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne qui fonctionne en mode bi-turbo, avec une transition continue du mode série au mode parallèle et vise et versa.

Pour cela, un premier objet de l'invention est un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, comprenant un turbocompresseur haute pression, avec une turbine haute pression destinée à recevoir un premier flux de gaz d'échappement du moteur, un turbocompresseur basse pression dont la turbine basse pression, destinée à recevoir un deuxième flux de gaz d'échappement est en aval de la turbine haute pression, caractérisé en ce qu'il comporte :

- un clapet à une voie, commandable, placé dans le circuit aval d'échappement de la turbine haute pression,

- un clapet à deux voies, placé dans le circuit d'échappement des gaz du moteur en amont de la turbine basse pression et en aval de la turbine haute pression, commandable entre deux positions extrêmes permettant le fonctionnement des turbines en mode série et en mode parallèle alternativement, ces deux clapets étant commandables par une unité centrale électronique embarquée dans le véhicule.

Un deuxième objet de l'invention est un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, comprenant un turbocompresseur haute pression, avec une turbine haute pression destinée à recevoir un premier flux de gaz d'échappement du moteur, un turbocompresseur basse pression dont la turbine basse pression, destinée à recevoir un deuxième flux de gaz d'échappement est en aval de la turbine haute pression, caractérisé en ce qu'il comporte : - un clapet à une voie, commandable, placé dans le circuit amont d'admission des gaz d'échappement de la turbine basse pression, gaz provenant directement du collecteur du moteur,

- un clapet à deux voies, placé dans le circuit d'échappement des gaz du moteur en aval de la turbine haute pression et en amont de la turbine basse pression, commandable entre deux positions extrêmes permettant le fonctionnement des turbines en mode série et en mode parallèle alternativement, ces deux clapets étant commandables par une unité centrale électronique embarquée dans le véhicule.

Selon une autre caractéristique du système de suralimentation, il comporte de plus un clapet de décharge dans une dérivation de la turbine basse pression, entre son circuit amont d'admission des gaz et son circuit aval d'échappement desdits gaz.

Selon une autre caractéristique du système de suralimentation, il comprend d'une part un turbocollecteur intégrant le collecteur d'échappement du moteur, la turbine haute pression et le clapet à une voie entre le collecteur et le circuit amont d'admission des gaz de la turbine basse pression, et d'autre part la turbine basse pression et le clapet à deux voies placé en aval de la turbine haute pression et en amont de la turbine basse pression assurant les modes de fonctionnement alternatifs des deux turbines en série et en parallèle.

Un autre objet de l'invention est un procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne selon le premier

objet de l'invention, caractérisé en ce que, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines en série et en parallèle :

- en mode série, le clapet à une voie est commandé en position fermée et le clapet à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression puis par la turbine basse pression, la régulation de la pression de suralimentation étant obtenue par commande de la position du clapet C ₂ à deux voies,

- lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines, les positions des deux clapets sont commandées simultanément, - en mode parallèle, le clapet à deux voies est commandé en position parallèle et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet à une voie.

Selon une autre caractéristique du procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines en série et en parallèle :

- en mode série, le clapet à une voie est commandé en position fermée et le clapet à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression puis par la turbine basse pression, la régulation de la pression de suralimentation étant obtenue par commande de la position du clapet à deux voies,

- lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines, les positions des deux clapets sont commandées simultanément, - en mode parallèle, le clapet à une voie est commandé à l'ouverture totale et la régulation de la pression de suralimentation du moteur est obtenue par commande de la position du clapet à deux voies.

Un autre objet de l'invention est un procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne selon le deuxième objet de l'invention, caractérisé en ce que, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines en série et en parallèle :

- en mode série, le clapet à une voie est commandé en position fermée et le clapet à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression puis par la turbine basse pression, la régulation de la pression de suralimentation étant obtenue par commande de la position du clapet à une voie,

- lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines, les positions des deux clapets sont commandées simultanément pour réguler la pression de suralimentation,

- en mode parallèle, le clapet à deux voies est commandé en position parallèle et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet à une voie.

Selon une autre caractéristique du procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines en série et en parallèle :

- en mode série, le clapet à une voie est commandé en position fermée et le clapet à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression puis par la turbine basse pression, la régulation de la pression de suralimentation étant obtenue par commande de la position du clapet à deux voies,

- lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines, les positions des deux clapets sont commandées simultanément,

- en mode parallèle, le clapet à une voie est commandé à l'ouverture totale et la régulation de la pression de suralimentation du moteur est obtenue par commande de la position du clapet à deux voies.

L'architecture série/parallèle des systèmes, objets de l'invention, par rapport à l'architecture série ou parallèle des systèmes séquentiels actuels présentent les avantages suivants : - une meilleure exploitation du système grâce au fonctionnement permanent en mode bi-turbo,

- une augmentation du couple et de la puissance spécifique du moteur ainsi qu'une diminution du niveau d'émissions polluantes par augmentation des taux de gaz d'échappement recyclés, toujours grâce à l'augmentation du niveau de pression de suralimentation,

- diminution du temps de réponse à bas régime,

- une réalisation simple à faible coût,

- une transition continue du mode de fonctionnement série au mode parallèle des deux turbines, et inversement, - un mode de régulation série identique à celui des systèmes série séquentiels, ce qui permet de réutiliser des stratégies de contrôle existantes,

- la possibilité de réguler continûment le flux traversant une des deux turbines en mode parallèle, et ainsi de régler la répartition de débit entre les deux turbines.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, illustrée par les figures suivantes qui sont :

- la figure 1 : un exemple d'architecture du système selon une première configuration,

- les figures 2a à 2e : les positions des clapets du système en mode série, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon la première configuration,

- les figures 3a à 3e : les positions des clapets du système en mode série, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon une seconde configuration, - la figure 4 : une variante d'architecture du système selon la première configuration, avec une dérivation de la turbine basse pression,

- les figures 5a à 5d : les positions des clapets du système en mode série, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon la première configuration avec une dérivation de la turbine basse pression,

- les figures 6a à 6d : les positions des clapets du système en mode série, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon la seconde configuration avec une dérivation de la turbine basse pression, - la figure 7 : un exemple d'architecture détaillée du système selon la seconde configuration,

- les figures 8a à 8e : les positions des clapets du système en mode série, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon l'architecture précédente.

Les éléments portant les mêmes références sur les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats.

Comme le montre l'exemple d'architecture du système de suralimentation d'un moteur thermique selon une première configuration, sur la figure 1 , il comporte deux turbocompresseurs, destinés à comprimer l'air entrant dans le moteur M, un turbocompresseur dit de haute pression et l'autre dit de basse pression, constitué

chacun d'un compresseur C _H p, respectivement C _B p, entraîné par une turbine T _HP , respectivement T _B p, elle-même entraînée par les gaz d'échappement sortant du moteur thermique M par le collecteur d'échappement C _eCh - Selon l'invention, les deux compresseurs fonctionnent constamment en série et les deux turbines sont placées alternativement en série ou en parallèle. Chaque turbine, voire les deux, peuvent être de type à géométrie variable.

Selon l'invention, le système comporte de plus deux clapets de régulation, l'un Ci à une voie et l'autre C ₂ à deux voies, disposés selon deux configurations différentes, commandables par une unité centrale de contrôle.

Selon la première configuration, représentée sur les figures 2a à 2e, le clapet Ci à une voie est placé dans le circuit aval d'échappement E _HP de la turbine haute pression T _H p, et le clapet C ₂ à deux voies est placé dans le circuit d'échappement C _eCh des gaz du moteur en amont de la turbine basse pression T _BP et en aval de la turbine haute pression T _H p, commandable entre deux positions extrêmes permettant le fonctionnement des turbines en mode série et en mode parallèle alternativement.

En mode série, utilisé tout particulièrement à bas régime du moteur, le clapet Ci à une voie est commandé en position fermée, comme le montre la figure 2a, et le clapet C ₂ à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression T _HP puis par la turbine basse pression T _BP . La régulation de la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission du moteur est obtenue par commande de la position du clapet C ₂ à deux voies, permettant à une partie des gaz d'échappement venant du collecteur C _eCh de passer par la turbine haute pression, comme le montre la figure 2b.

Lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines T _H p et T _BP , les positions des deux clapets sont commandées simultanément (figure 2c), de sorte que les gaz d'échappement en sortie du moteur M se répartissent dans les deux turbines et les gaz en sortie de la turbine haute pression se divisent entre la voie d'échappement E _HP en aval de celle-ci et l'entrée de la turbine basse pression.

En mode parallèle (figure 2d) utilisé plus particulièrement à haut régime moteur, le clapet C ₂ à deux voies est commandé en position parallèle pour que les gaz

d'échappement passent simultanément à travers les deux turbines T _HP et T _BP et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet Ci à une voie, selon une première variante, en réduisant le débit à travers la turbine haute pression.

Selon une seconde variante représentée sur la figure 2e en mode parallèle, le clapet à une voie Ci est commandé à l'ouverture totale et la régulation de la pression de suralimentation du moteur est obtenue par commande de la position du clapet C ₂ à deux voies qui régule le débit de décharge de la turbine basse pression.

Selon la seconde configuration, représentée sur les figures 3a à 3e, le clapet Ci à une voie est placé dans le circuit amont d'admission des gaz d'échappement de la turbine basse pression T _BP , gaz provenant directement du collecteur C _eCh du moteur, et le clapet C ₂ à deux voies est placé dans le circuit d'échappement E _H p des gaz du moteur en amont de la turbine basse pression T _BP et en aval de la turbine haute pression T _H p. Il est commandable entre deux positions extrêmes permettant le fonctionnement des turbines en mode série et en mode parallèle alternativement.

En mode série, le clapet Ci à une voie est commandé en position fermée et le clapet C ₂ à deux voies est commandé en position série (figure 3a) obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur M à passer par la turbine haute pression T _H p puis par la turbine basse pression T _B p. La régulation de la pression de suralimentation P _s est obtenue par commande de la position du clapet Ci à une voie, permettant à une partie des gaz venant du collecteur C _eCh de traverser directement la turbine basse pression T _BP (figure 3b).

Lors de la transition entre les mode de fonctionnement série et parallèle des deux turbines T _H p et T _BP , les positions des deux clapets sont commandées simultanément pour réguler la pression de suralimentation, de sorte que les gaz d'échappement en sortie du moteur se répartissent dans les deux turbines et les gaz en sortie de la turbine haute pression T _HP se divisent entre la voie d'échappement E _HP en aval de cette turbine et l'entrée de la turbine basse pression T _BP (figure 3c).

En mode parallèle (figure 3d), le clapet C ₂ à deux voies est commandé en position parallèle pour que les gaz d'échappement passent simultanément à travers les deux turbines haute et basse pression, et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet Ci à une voie, en

amont de la turbine basse pression T _BP , qui régule le débit des gaz dans la turbine basse pression. La quantité de gaz d'échappement provenant du moteur et passant dans la turbine basse pression est plus grande que dans le cas de la première configuration, ce qui améliore la régulation. En effet, la marge de régulation est plus grande car la régulation ne réduit pas seulement les gaz dans le circuit E _HP d'échappement de la turbine haute pression, qui est plus petit que le circuit d'échappement E _BP de la turbine basse pression.

Une seconde variante du mode parallèle, représentée sur la figure 3e, propose que le clapet à une voie Ci soit commandé à l'ouverture totale en amont de la turbine basse pression T _BP et que la régulation de la pression de suralimentation du moteur soit obtenue par commande de la position du clapet C ₂ à deux voies, qui régule le débit de décharge dans la turbine basse pression.

Selon une variante de réalisation de l'invention représentée sur la figure 4, le système de suralimentation du moteur peut comporter une dérivation D _BP de la turbine basse pression T _BP , entre son circuit amont A _BP d'admission des gaz et son circuit aval E _BP d'échappement desdits gaz, avec un clapet de décharge C ₀ , destiné à améliorer la qualité de la régulation de la surpression d'admission, en mode parallèle. Dans cette variante, en mode parallèle, le clapet à une voie est pleinement ouvert et le clapet à deux voies est commandé en position parallèle, et c'est la position du clapet de décharge qui assure la régulation, de la pression.

Les figures 5a à 5d indiquent les positions des clapets du système respectivement,en mode série, en mode série régulé, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle selon la première configuration avec une dérivation de la turbine basse pression.

En mode série (figure 5a), le clapet à une voie Ci est commandé en position fermée, le clapet C ₂ à deux voies est commandé en position série et le clapet de décharge C ₀ est commandé en position fermée afin que tous les gaz d'échappement du moteur passent successivement à travers la turbine haute pression puis la turbine basse pression. En mode série régulé (figure 5b), la régulation de la pression de suralimentation de l'air entrant dans le moteur est assurée par la commande de la position du clapet C ₂ à deux voies en amont de la turbine basse pression T _BP . Lors de la transition entre le mode série et le mode parallèle, ou inversement, la régulation de la pression de suralimentation est assurée en continu par la commande des trois

clapets simultanément (figure 5c). En mode parallèle régulé (figure 5d), le clapet Ci à une voie est commandé à l'ouverture totale pendant que le clapet C ₂ à deux voies est en position parallèle pour que les gaz d'échappement passent en même temps à travers les deux turbines, sachant que la régulation de la surpression est obtenue par commande de la position du clapet de décharge C ₀ de la turbine basse pression T _BP .

Les figures 6a à 6d montrent les différentes positions des clapets du système en mode série, en mode série régulé, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon la seconde configuration du système de suralimentation du moteur avec une dérivation D _B p de la turbine basse pression T _BP .

En mode série, le clapet Ci à une voie est commandé en position fermée, le clapet C ₂ à deux voies est commandé en position série et le clapet de décharge C ₀ est commandé en position fermée (figure 6a), ce qui oblige les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement C _eCh du moteur à passer par la turbine haute pression T _H p puis par la turbine basse pression T _BP . La régulation de la pression de suralimentation Ps est obtenue par commande de la position du clapet Ci à une voie, le clapet de décharge C ₀ restant en position fermée, ce qui permet à une partie des gaz venant du collecteur C _eCh de traverser directement la turbine basse pression T _BP (figure 6b).

Lors de la transition entre le mode série et le mode parallèle pour les deux turbines T _HP et T _BP , les positions des trois clapets Ci , C ₂ et C ₀ sont commandées simultanément pour réguler la pression de suralimentation, de sorte que les gaz d'échappement en sortie du moteur se répartissent dans les deux turbines et les gaz en sortie de la turbine haute pression se divisent entre, d'une part, la voie d'échappement E _HP en aval de celle-ci et, d'autre part, l'entrée de la turbine basse pression et la dérivation D _BP (figure 6c).

En mode parallèle régulé (figure 6d), le clapet C ₂ à deux voies est commandé en position parallèle et le clapet Ci à une voie est commandé en position ouverte pour que les gaz d'échappement passent simultanément à travers les deux turbines haute et basse pression, et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet de décharge C ₀ dans la dérivation D _BP entre l'entrée et la sortie de la turbine basse pression T _BP .

Un exemple d'architecture détaillée du système de suralimentation d'un moteur thermique selon la seconde configuration, particulièrement performante techniquement, est représenté sur la figure 7. Cette architecture présente l'avantage d'être simple, compacte et facilement contrôlable. En effet, le système complet est simple car il peut être constitué de deux pièces : d'une part le turbocollecteur T _∞ ι comprenant le collecteur d'échappement C _eCh , la turbine haute pression T _H p et le clapet à une voie Ci entre le collecteur et le circuit amont A _BP d'admission des gaz de la turbine basse pression T _B p, et d'autre part la turbine basse pression T _B p comprenant le clapet C ₂ à deux voies placé en aval de la turbine haute pression T _HP et en amont de la turbine basse pression T _B p assurant les modes de fonctionnement alternatifs des deux turbines en série et en parallèle. Le circuit d'échappement des gaz en sortie du système de suralimentation est le même E pour les deux turbines. Cette architecture est compacte car l'agencement des parcours de gaz et des clapets vise à minimiser les pertes de charge, à compacter le système et à autoriser l'intégration d'une partie des éléments d'un turbocollecteur. Enfin la contrôlabilité est obtenue car les deux clapets sont actionnés de manière continue. La plage angulaire du mouvement du clapet à deux voies est faible afin de faciliter la transition du mode série vers le mode parallèle.

Sur la figure 8a représentant les positions des clapets du système en mode série, le clapet Ci à une voie est commandé en position fermée et le clapet C ₂ à deux voies est commandé en position série pour que les gaz provenant du collecteur d'échappement C _eCh passent successivement à travers la turbine haute pression T _H p puis la turbine basse pression T _BP .

En mode de fonctionnement série régulé (figure 8b), le clapet C ₂ à deux voies reste en position série et la régulation de la surpression est obtenue par commande du clapet Ci à une voie, afin qu'une partie des gaz venant du collecteur d'échappement Cec _h passe directement à travers la turbine basse pression tandis que tous les gaz sortant de la turbine haute pression passent obligatoirement à travers la turbine basse pression avant de sortir du système de suralimentation par le circuit d'échappement E.

Pendant la transition entre les modes série et parallèle, les positions des deux clapets Ci et C ₂ sont commandées simultanément pour assurer la régulation de la surpression de l'air à l'admission. Les gaz sortant du collecteur d'échappement du moteur se divisent vers les deux turbines simultanément et une partie des gaz sortant de la turbine haute pression passe à travers la turbine basse pression alors que l'autre partie sort par l'échappement E.

En mode de fonctionnement parallèle régulé, selon une première variante représentée sur la figure 8d, le clapet C ₂ à deux voies est commandé en position parallèle et la position du clapet Ci à une voie est commandée pour que les gaz d'échappement du moteur passent en même temps à travers la turbine basse pression et la turbine haute pression. Tous les gaz sortant de cette dernière partent dans le circuit d'échappement E du système. Selon une seconde variante représentée sur la figure 8e, le clapet Ci à une voie est totalement ouvert et la position du clapet C ₂ à deux voies est commandée pour assurer la régulation de la surpression.