10ème cycle de conférences Utilisation rationnelle de l...

110ème cycle de conférence Cnam / SIA, Paris 10 mars 2009

10ème cycle de conférences

Utilisation rationnelle de l'énergie dans les moteurs àcombustion interne et environnement

La suralimentation dans les moteurs à combustion interne

Hamid Lahjaily, Renault, Direction Conception et Technologies

Michel Toussaint, CNAM, chaire de Turbomachines


Plan de la conférence

� Intérêt et enjeux de la suralimentation

� La suralimentation par les turbocompresseurs� Fonctionnement du compresseur

� Le pompage des compresseurs

� Fonctionnement de la turbine

� La suralimentation et la dépollution

� La suralimentation à double étage

� Conclusion

� Questions / Réponses


� Course à la puissance

� Consommation : Downsizing

� Dépollution

� Agrément de conduite : Brio

� Fiabilité : Densité d’énergie

Intérêt et enjeux de la suralimentation


Les besoins en performance spécifique

BMW SERIE 3 320d

BMW SERIE 5 535D - L6 Twin Turbo -270cv

ALFA ROMEO GT 1.9 JTD 150cv

PEUGEOT 2.7 V6 HDI 200cv

MERCEDES C30 CDI AMG 231cv

VOLKSWAGEN GOLF 1.9TDi-150cv

BMW ALPINA 3.0Biturbo-D10-245 cv

V6D-A

Renault 2.0 l dci 175cv-FAP

Renault 2.l dci 130cv

Renault 1.6 dci 130cv

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Year

Specific power [kW/L]

Average

"Sports”Engine

Renault V6D 3.0l dci250cv

Augmentation continue des puissances spécifiques tant en essence qu’en Diesel

+15 kW/L en 10 ans en Diesel (+40 % / 1995 !!)+10 kW/l en 10 ans en Essence (+16%/1995)

Augmentation continue des couples spécifiques +60 Nm/L en 10 ans en Diesel (+66 % / 1995 !!)


Les besoins de réduction de consommation

� Engagement CAFE de l’ACEA (Corporate Average Fuel Economy)

• 140g/km en 2008• 120g/km en 2012 (-30% par rapport à 2000)

• Règlementation Europe : 130 g/km en 2015.� Labelling CO2� Incitations Fiscales : Bonus/Malus� Prix du pétrole

� Downsizing : Réduire la cylindrée des moteurs et suralimenter


Le cycle moteur essence et downsizing

Pech

Padm

Gain de conso par la diminution de la PMIBP < 0

Cycle downsizé

Cycle initial

Réduction du vannage à l’admission

Volume

PMIHP

+

-

Pression

Augmentation des pressions cylindre


Une illustration sur les courbes d’utilisation

0

100

200

300

1 2 3 4 5 6 7

Vitesse de rotation (tr/min)

Cou

ple

(Nm

)

Vmax = 210 km/h

250 g/kW/h

300

350

120 km/h

90 km/h

0

100

200

300

1 2 3 4 5 6 7

Vitesse de rotation (tr /m in x 1000)C

oupl

e (N

m)

Courbe d’utilisationVmax = 210 km/h

300 g/kWh

250 g/kWh

120 km/h90 km/h

350 g/kW/

250 g/kWh

250 g/kWh

Atmo 2L Turbo 1.4L90 km/h 325 g/kWh 290 g/kWh120 km/h 300 g/kWh 260 g/kWhVmax 300 g/kWh 320 g/kWh

Moteur essence atmo 2L Moteur essence turbo 1,4L refroidi


Les besoins de dépollution

Diesel : système d’injection, combustion du type homogène,

FAP, Nox trap, forts taux EGR

Evolution taux d'EGR de en Diesel : Euro 4 vers Euro5

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

Faiblerégime /

faiblecharge

Faiblerégime /

Fortecharge

Mi-régime /

Fortecharge

Fortrégime /

faiblecharge

Fortrégime /

Fortecharge

Eca

rt R

elat

if ta

ux

d'E

GR


Downsizing et Brio

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Régime moteur [tr/min]

Cou

ple

mot

eur

[N.m

]

4 cylindres - 2L - Turbo 6 cylindres - 3L - Atmo

280 N.m à 4000 tr/min

150 kW = 210 Chà 6000 tr/min

Attention au couple en TRANSITOIRE

Meilleur couple à moyen régime

Chute de couple aux très bas régimes


La suralimentation par les turbocompresseursLe Compresseur


Intérêt du turbocompresseur

Répartition de puissance : (100% = Puiss. du combustible)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250Régime moteur [tr/min]

Rép

artit

ion

des

puis

sanc

es [%

]

25%

45 %

Puiss. Thermique évacuée par le liquide de refroidissement

Puiss. Thermiquedes gaz échappement

(T° élevée, débit)

Puiss. Mécaniquefournie par le moteur


Le Turbocompresseur

Entrée Compresseur

Sortie Compresseur

Entrée Turbine

Sortie TurbineCompression Détente

COMPRESSEUR

TURBINE


Le Compresseur - Description

Pression totale

Atmo

Entrée

Roue

Diffuseur

Volute

L’Entrée : collecte les gaz issus du filtre à air

La Roue : apporte l’énergie au fluide

Le Diffuseur : assure la transformation de l’énergie due à la vitesse du fluide en énergie de pression

La Volute : collecte l’ensemble des gaz comprimés et les dirige vers le moteur

Le Collecteur : dirige les gaz vers la sortie

Collecteur


Compresseur – Puissance d’entraînement

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8Pression de suralimentation [bar]

Pui

ssan

ce d

'ent

rain

emen

t com

pres

seur

[k

W]

Moteur A.C. - Rdt=70%

Moteur A.C. - Rdt=75%

Moteur Diesel - Rdt=75%

Moteur Diesel - Rdt=75%

Moteur A.C. 2Lde 130 kW

Moteur Diesel 2Lde 130 kW

Pcomp = 13kWsoit 10% de Pmot

Pcomp = 22kWsoit 17% de Pmot

Tentrée = 25°C

Cpair = 1 kJ.kg -1 .K -1

Diesel : 17% de la puissance àl’arbre

Essence : 13% de la puissance à l’arbre

Facteur d’ordre 1 : le besoin en air.

Diesel : 1kW = 1.4 g/s Essence : 1 kW = 1 g/s


1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25Débit d'air réduit [kg/s]

Rap

port

de c

ompr

essi

on [-

]Iso vitesse de

rotation

85 000 tr/min

105 000 tr/min

125 000 tr/min

145 000 tr/min

165 000 tr/min

77%

75%70%

65%

Iso

Compresseur – Caractéristiques d’utilisation

0

0 P

PT

Tmm

entrée

entrée

airComp ⋅= ɺɺ

0

TT

NNentrée

Comp =

entréesortie

PP

Comp =π


Limites du champ compresseur

• La largeur de champ d’un compresseur est définie par les débits à la ligne de pompage (surge line) à gauche et la ligne de choc (ou vitesse maxi) à droite

• la ligne de choc représente la ligne de débit maxi (rend = 65 %)

• la ligne de vitesse maxi une limite mécanique liée à la fatigue des aubages : elle est donnée par le fournisseur

• la ligne de pompage est définie quand le compresseur devient instable causant bruits et instabilités moteur

3

1.5

0

Pressure Ratio

Débit corrigé

Ligne de pompage

survitesse

Iso rendement

Lignede choc


La suralimentation par les turbocompresseursLe pompage des compresseurs


Tout compresseur (turbomachine) rencontre à faible débit une zone de “non fonctionnement” fortement instationnaire et dangereuse.

C’est la zone de pompage.


Le pompage se manifeste par une instabilité aérodynamique de l’écoulement interne,

affectant l’entité

compresseur - circuit associé.Cette instabilité survient lors de tentative de

fonctionnement à

trop faible débitdu compresseur.


Lorsque le débit diminue, la pression délivréepar le compresseur résulte de 2 effets:

1) Le travail augmente (théorème d’Euler) 2) des recirculations internes apparaissent

et les pertes augmentent.

Au point de taux de compression maximum, l’augmentation des pertes compense l’augmentation d’énergie.

Au delà de ce point, l’énergie apportée par le rotor ne suffit plus à contrer l’augmentation des pertes et le taux de compression diminue.


Le “décrochage aérodynamique” des

aubages (à incidence élevée)provoque une inversion du débit interne depuis le

refoulement (haute pression)vers l’aspiration (basse pression). Il en résulte

d’importantes fluctuations de débit et de pression.Si l’ensemble moteurSi l’ensemble moteur--turbocompresseur est turbocompresseur est

amené à fonctionner dans amené à fonctionner dans cette plage, des cette plage, des instabilités seront instabilités seront ressenties par le ressenties par le conducteur et les conducteur et les

passagers du véhicule, passagers du véhicule, instabilités pouvant être instabilités pouvant être préjudiciables à l’ensemble préjudiciables à l’ensemble

propulsif.propulsif.


taux de compression en fonction du dˇbit

1,16

1,18

1,2

1,22

1,24

1,26

-0,015 -0,01 -0,005 0 0,005 0,01 0,015 0,02

flow-rate (kg/s)

t1

t2

t3

t4

t5

compression ratio vs flow-rate

1,28

1,3

1,32

1,34

1,36

1,38

1,4

1,42

-0,015 -0,01 -0,005 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

flow-rate (kg/s)

La position de la ligne de pompage et l’amplitude des instationnaritésde pression et de débit dépendent du circuit associé au compresseur.


Les tentatives de Les tentatives de fonctionnement dans la fonctionnement dans la zone de pompage, se zone de pompage, se

traduisent par:traduisent par:- des vibrations importantes

- des fluctuations de pressions très instationnaires

-une température qui augmente fortement et ne se stabilise jamais

- un bruit intense émis par le compresseur

-une détérioration de la machine et de son circuit associé.


Banc d’essais de Turbocompresseurs


Influence de la géométrie amont sur les caractéristiques au pompage des compresseurs

201000AR9

20700AR8

20440AR7

51000AR6

5700AR5

5440AR4

21000AR3

2700AR2

2440AR1

Volume réservoir(dm3)

Longueur conduit amont

réservoir(mm)

Vanne de contrôle de débit

Géométrie du circuit aval2 longueurs:

0,7 m et 2,1 m

Volumeréservoir

Longueur conduit amont réservoir.


Quelques résultats expérimentaux.


Influence du circuit amont sur la limite de pompage

Effet combiné du volume du réservoir et de la longueur de conduit associé sur la limite de pompage

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,014

0,016

0,018

0,02

AR1 AR2 AR3 AR4 AR5 AR6 AR7 AR8 AR9

Déb

it lim

ite de po

mpa

ge (kg

/s)

N= 80 000 RPM

N= 100 000 RPM

N= 120 000 RPM

(440,20) (700,20) (1000,20)(440,5) (700,5) (1000,5)(440,2) (700,2

)

(1000,2)

V=2 L V= 5 L V=20 L Longueurcircuit aval= 0,7 m

Accroissement longueur conduit




Influence du circuit amont sur la limite de pompage.

Interaction entre la longueur aval et la géométrie du circuit amont

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,014

0,016

0,018

0,02

AR1 AR2 AR3 AR4 AR5 AR6 AR7 AR8 AR9

Déb

it lim

ite de po

mpa

ge (kg

/s)

N= 80 000 RPMN= 100 000 RPMN= 120 000 RPM

(440,20) (700,20) (1000,20)(440,5) (700,5) (1000,5)(440,2) (700,2) (1000,2)

V=2 L




V= 5 L

V=20 L

Longueurcircuit aval= 2,1 m


-Influence effective de la géométrie du circuit d’admission sur les caractéristiques au pompage d’un compresseur.

-Corrélation entre accord acoustique circuit amont-circuit aval et la limite de pompage.

-Cet accord acoustique ne semble pas affecter les caractéristiques en pompage établi.

-L’étude de l’influence prépondérante de la géométrie du circuit refoulement, actuellement en cours, permettra une analyse plus complète des caractéristiques en pompage des

compresseurs.

Conclusions actuelles sur les essaisen pompage des compresseurs.


La suralimentation par les turbocompresseursLa turbine


La Turbine- Description

• La Volute met en vitesse les gaz issus du moteur et les dirige vers le distributeur

• La Distributeur oriente le flux gazeux vers les pales de la roue (peut être à géométrie variable => contrôle du rapport de détente)

• La Roue reçoit et récupère l’énergie des gaz d’échappement (chauds et sous pression)

• Le Diffuseur assure la transition des gaz vers les conduits d’échappement (ou vers le système de dépollution)


0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Rapport de détente [-]

Déb

it ré

duit

[kg/

s]

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

Ren

dem

ent [

%]

80 000 tr/min 115 000 tr/min155 000 tr/min 190 000 tr/min215 000 tr/min 240 000 tr/min Blocage sonique

Turbine – Caractéristiques d’utilisation

entréesortieDet P

P =π

0

0 P

PT

Tmm

entrée

entrée

gbTurb ⋅= ɺɺ

0

TT

NNentrée

Turb =


Adaptation des turbines

� La turbine se comporte comme une tuyère

� Caractéristique [Débit, Rapport de détente] = courbe unique (indépendante de la vitesse de rotation)

Comment adapter le débit moteur variant fortement avec la vitesse de rotation du moteur ?

En faisant varier le débit traversant varier le débit traversant la turbinela turbine

Grâce à une vanne permettant de « by-passer » la turbine=> Turbine à « waste-gate »,dite à géométrie fixe

En faisant varier la varier la caractéristique de la turbinecaractéristique de la turbineGrâce à un distributeur de gaz=> Turbine dite « à géométrie variable »


Turbine – Géométrie Fixe

� Waste gate :

� Permet de contrôler le niveau de suralimentation,

� De by-passer l’entrée de la turbine,

� De choisir des petits turbos adaptés aux bas régime et d’éviter la survitesse à haut régime.

Gaz alimentant la turbine

Gaz déviés

par la wastegate

Gaz sortant de la turbine

Intérêts :- simplicité- coût

Inconvénients :-performance turbine limitée à bas régimes ou hauts régimes- Étanchéité de la wastegate


Turbine – Géométrie Fixe

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0

Rapport de détente [tot/stat]

Déb

it co

rrig

é D

KW

[kg

.K0.

5/s/

bar]

4000 tr/min0 %

5 %

10 %

40 %

2000 tr/min

0 %4 %

16 %

1500 tr/min0 à 6 %

Grosse turbine diam. 45Caractéristique + perméable

Turbine adaptée aux forts débits

Petite turbine diam. 35Caractéristique - perméableTurbine adaptée aux faibles

débits

lignes de fonctionnementfonction de l’ouverture WG


Turbine – Géométrie Variable� Plusieurs caractéristiques Débit/Rapport de détente,

� La turbine doit être « adaptée » pour tous les débits moteur,=> Le « by-pass » n’est plus nécessaire,

� Il suffit de positionner la turbine sur la géométrie adaptée

Ailettes d’entrée (ou distributeur)=> permettant de réorienterles vecteurs vitesse gaz / vitesse pales

ailettes ouvertesailettes fermées

Intérêts ::- optimisation du triangle des vitesses / N turbo => gains de perfos / TGF- variation de la section efficaceInconvénients :-mécanisme complexe et coûteux- fiabilité (encrassement, tenue ailettes)- MAP difficile (pilotage non linéaire,…)


Turbine – Géométrie Variable

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0

Rapport de détente [tot/stat]

Déb

it co

rrig

é D

KW

[kg

.K0.

5/s/

bar]

1500 tr/min

2000 tr/min

4000 tr/min Ailettes en position OuverteCaractéristique + perméable

Turbine adaptée aux forts débits

Ailettes en position FerméeCaractéristique - perméableTurbine adaptée aux faibles débits


La dépollution : Les circuits d’EGR


Les besoins de dépollution

� Actuellement Euro 4� Passage à Euro 5� Puis Euro 6

En Diesel :Nécessité d’utiliser des gaz brûlés recirculés(EGR) à l’admission pour réduire les émissions de Nox.


EGR HP

EGR HP

De l’amont turbine vers l’amont répartiteur

admission

� Fort couplage EGR / Sural� Taux d’EGR régulé par

� Rack / wastegate turbine� Vanne EGR� Volet à l’admission (boîtier

étouffoir)

� Dp EGR = PAVT – PCOL


EGR BP

EGR BP

FAPDe l’aval turbine (FAP) vers

l’amont compresseur

� Faible couplage EGR / Sural

� Taux d’EGR régulé par� Volet à l’échappement (après

FAP)

� Vanne EGR

� Dp EGR = CPE – PAVC


Impact des architectures sur le fonctionnement du compresseur

90000110000

130000

150000

170000

190000

210000

230000

0,6

0,65

0,68

0,70,72

0,74

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

2,40

2,60

2,80

3,00

3,20

3,40

3,60

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 32,0

W* [Lb/min]

PR

tot/t

ot

EGR HPEGR BP

TITLE:

90000110000

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0

PR

tot/t

ot

TITLE:

Points dans la zone de pompage en EGR HP

2250 tr/min – 7 barTmassique EGR = 34 %

2000 tr/min – 6 barTmassique EGR = 43 %


Impact des architectures sur le fonctionnement de l a turbine

Evolution des points dans le champs TGV (Euro 5)

0,0000

0,2000

0,4000

0,6000

0,8000

1,0000

1,2000

1,4000

1,6000

1,000 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 1,600 1,700 1,800

rapport de détente

débi

t réd

uit (

kg/s

. sqr

t(K

) . b

ar)

EGR BP

EGR HP

2250 tr/min - 7 barTmassique EGR 32 %

2000 tr/min - 6 barTmassique EGR 43 %

Point difficileà atteinteCourbe caractéristique

Ailette fermée


La suralimentation à double étageDouble turbo


Les développements en double sural Diesel

� BMW série 5 /X5 (3L) sortie 2004 : séquentielle série� 210 kW => 70kW/L� 580 N.m => 193 N.m/L

� BMW série 3 (2L) sortie 2006 : séquentielle série� 150 kW => 75 kW/L� 400 N.m => 200 N.m/L

� PSA (2,2 L) sortie 2006 : séquentielle parallèle� 130 kW => 59 kW/L� 400 N.m => 182 N.m/L

� Mercedes (2,2 L) sortie à venir: séquentielle série� 150 kW => 68 kW/L� 500 N.m => 227 N.m/L

� Huyndai (2,2 L) sortie à venir: séquentielle série� 160 kW => 72 kW/L� 460 N.m => 209 N.m/L

� Fiat (1,9 L) sortie 2008

� 140 kW => 73.3 kW/L

� 400 N.m => 209 N.m/L

� Volvo D5 (2,4L) sortie 2009 : séquentielle série� 150 kW => 62,5kW/L� 420 N.m => 175 N.m/L

Volvo D5

FiatHuyndai

Mercedes

PSA

BMW 335D

BMW 535D

50

55

60

65

70

75

80

160 180 200 220

Couple Spécifique (N.m/L)

P S

péci

fique

(kW

/L)


Positionnement du BMW 535d 3l par rapport aux moteurs mono sural

9

11

13

15

17

19

21

23

25

1000 2000 3000 4000 5000N (tr/min)

PM

E c

or.

82 [b

ar]

50

70

90

110

130

150

170

190

1000 1500 2000 2500

N (tr/min)

Cou

ple

spéc

ifiqu

e [N

.m/L

]Un intérêt indéniable à bas régime

Impact positif sur les transitoires


Suralimentation étagée: l’architecture séquentielle série

Avantages :- découplage des phénomènes:petit turbo / bas régimesgros turbo / haut régimes- possibilité d’aider à la reprise du gros turbo

Inconvénients:- tenue mécanique - fiabilité- packaging + poids - transitoires = f(actionneur) ?- coût

Vanne deby-pass

Turbo HP

Turbo BP

RAS BPRAS HP


L’architecture séquentielle série


L’architecture échappement BMW 535d


Fiat 1.9 jtd twin stage


Conclusion


Conclusion

� Le turbo est au cœur des enjeux de l’automobile� Moins synonyme de Puissance� CO2 => Downsizing� Dépollution� Fiabilité : Forte densité d’énergie, lubrification, refroidissement

� Multiplication des fournisseurs turbo� BWTS, HTT, IHI, MHI � mais aussi Bosch-Mahle / Continental / stratégie de make chez Toyota ….

� Avoir un turbo sur un moteur ne fait pas tout le bonheur…� Adapter le turbo au CdC du moteur� Adapter le moteur au fonctionnement avec turbo

� Perte de charge, � Contrôle du turbo, détarrage en altitude� Brio à bas régime

� Double suralimentation incontournable pour les moteurs fortement downsizés� Double turbo sur les très petites cylindrées : taille des TC!� Compresseur + turbo (VW TSI)


QUESTIONS / REPONSES

MERCI DE VOTRE ATTENTION

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