conference1_2009.pdf

7/23/2019 conference1_2009.pdf

1/54


2/54

210me cycle de confrence Cnam / SIA, Paris 10 mars 2009

Plan de la confrence

Intrt et enjeux de la suralimentation

La suralimentation par lesturbocompresseurs Fonctionnement du compresseur

Le pompage des compresseurs

Fonctionnement de la turbine

La suralimentation et la dpollution La suralimentation double tage

Conclusion

Questions / Rponses


3/54


Course la puissance

Consommation : Downsizing

Dpollution Agrment de conduite : Brio

Fiabilit : Densit dnergie

Intrt et enjeux de la suralimentation


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Les besoins en performance spcifique

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

5055

60

65

70

75

80

1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011

Year

Specificpower[kW/L]

Average

"SportsEngine

Renault V6D 3.0l dci250cv

Augmentation continue des puissances spcifiques

tant en essence quen 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 spcifiques

+60 Nm/L en 10 ans en Diesel (+66 % / 1995 !!)


5/54


Les besoins de rduction de consommation

Engagement CAFE de lACEA (Corporate Average FuelEconomy)

140g/km en 2008

120g/km en 2012 (-30% par rapport 2000) Rglementation Europe : 130 g/km en 2015. Labelling CO2 Incitations Fiscales : Bonus/Malus

Prix du ptrole

Downsizing : Rduire la cylindre des moteurs etsuralimenter


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Le cycle moteur essence et downsizing

Pech

Padm

Gain de conso parla diminution de la PMIBP < 0

Cycle downsiz

Cycle initial

Rduction du vannage ladmission

Volume

PMIHP

+

-

Pression

Augmentation despressions cylindre


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Une illustration sur les courbes dutilisation

0

100

200

300

1 2 3 4 5 6 7

Vitesse de rotation (tr/min)

Couple(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

Vites se de ro tation (tr/m in x 1000)

Couple(Nm)

Courbe dutilisation

Vmax = 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/kWh

Vmax 300 g/kWh 320 g/kWh

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


8/54


9/54


Downsizing et Brio

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Rgime moteur [tr/min]

Couplemoteur[N.m

]

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

280 N.m 4000 tr/min

150 kW = 210 Ch 6000 tr/min

Attention au couple en

TRANSITOIRE

Meilleur couple

moyen rgime

Chute de couple aux trs

bas rgimes


10/54


La suralimentation par les turbocompresseurs

Le Compresseur


11/54


Intrt du turbocompresseur

Rpartition de puissance : (100% = Puiss. ducombustible)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

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

Rpartitio

ndespuissances[%]

25%

45 %

Puiss. Thermique

vacue par le liquide de refroidissement

Puiss. Thermique

des gaz chappement

(Tleve, dbit)

Puiss. Mcanique

fournie par le moteur


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Le Turbocompresseur

EntreCompresseur

SortieCompresseur

EntreTurbine

SortieTurbineCompression Dtente

COMPRESSEUR

TURBINE


13/54


Le Compresseur - Description

P

ression

totale

Atmo

Entre

Roue

Diffuseur

Volute

LEntre : collecte les gaz issus du filtre air

La Roue : apporte lnergie au fluide

Le Diffuseur: assure la transformation de lnergie

due la vitesse du fluide en nergie depression

La Volute : collecte lensemble des gaz comprimset les dirige vers le moteur

Le Collecteur: dirige les gaz vers la sortie

Collecteur


14/54


Compresseur Puissance dentranement

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8

Pression de suralimentation [bar]

Puissance

d'entrainem

entcom

presseu

r

kW

Moteur A.C. - Rdt=70%

Moteur A.C. - Rdt=75%

Moteur Diesel - Rdt=75%

Moteur Diesel - Rdt=75%

Moteur A.C. 2L

de 130 kW

Moteur Diesel 2L

de 130 kW

Pcomp = 13kW

soit 10% de Pmot

Pcomp = 22kW

soit 17% de Pmot

Tentre = 25C

Cpair = 1 kJ.kg-1

.K-1

Diesel : 17% de la puissance larbre

Essence : 13% de lapuissance larbre

Facteur dordre 1 : le besoin en air.

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


15/54


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 0.25

Dbit d'air rduit [kg/s]

Rappo

rtdecom

press

ion

[-]

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 Caractristiques dutilisation

0

0

PP

TT

mmentre

entre

airComp =

0

TTNNentre

Comp =

entre

sortie

PP

Comp =


16/54


Limites du champ compresseur

La largeur de champ duncompresseur est dfinie par lesdbits la ligne de pompage(surge line) gauche et la ligne

de choc (ou vitesse maxi) droite

la ligne de choc reprsente laligne de dbit maxi (rend = 65 %)

la ligne de vitesse maxi une limitemcanique lie la fatigue desaubages : elle est donne par lefournisseur

la ligne de pompage est dfiniequand le compresseur devientinstable causant bruits etinstabilits moteur

3

1.5

0

Pressure

Ratio

Dbit corrig

Ligne de pompage

survitesse

Isorendement

Lignede choc


17/54


La suralimentation par les turbocompresseursLe pompage des compresseurs


18/54

18


Tout compresseur (turbomachine)rencontre faible dbit une zone de

non fonctionnement fortementinstationnaire et dangereuse.

Cest la zone de pompage.


19/54

19


Le pompage se manifeste par une instabilit

arodynamique de lcoulement interne,affectant lentit

compresseur - circuit associ.Cette instabilit survient lors de tentative de

fonctionnement

trop faible dbitdu compresseur.


20/54


Lorsque le dbit diminue, la pression dlivrepar le compresseur rsulte de 2 effets:

1) Le travail augmente (thorme dEuler)2) des recirculations internes apparaissent

et les pertes augmentent.

Au point de taux de compression maximum, laugmentation des pertescompense laugmentation dnergie.

Au del de ce point, lnergie apporte par le rotor ne suffit plus

contrer laugmentation des pertes et le taux de compression diminue.


21/54


Le dcrochagearodynamique des

aubages ( incidence leve)provoque une inversion dudbit interne depuis le

refoulement (haute pression)vers laspiration (bassepression). Il en rsulte

dimportantes fluctuationsde dbit et de pression.Si lensemble moteurSi lensemble moteur--

turbocompresseur estturbocompresseur estamen fonctionner dansamen fonctionner danscette plage, descette plage, desinstabilits serontinstabilits serontressenties par leressenties par leconducteur et lesconducteur et les

passagers du vhicule,passagers du vhicule,instabilits pouvant treinstabilits pouvant treprjudiciables lensembleprjudiciables lensemble

propulsif.propulsif.


22/54


taux de compression en fonction du

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/

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 lamplitude des instationnaritsde pression et de dbit dpendent du circuit associ au compresseur.


23/54


Les tentatives deLes tentatives defonctionnement dans lafonctionnement dans la

zone de pompage, sezone de pompage, setraduisent par:traduisent par:- des vibrations importantes

- des fluctuations de pressions trsinstationnaires

-une temprature qui augmentefortement et ne se stabilise jamais

- un bruit intense mis par lecompresseur

-une dtrioration de la machine etde son circuit associ.


24/54


Banc dessais de Turbocompresseurs


25/54


Influence de la gomtrie amont sur lescaractristiques au pompage des compresseurs

201000AR9

20700AR8

20440AR7

51000AR6

5700AR5

5440AR421000AR3

2700AR2

2440AR1

Volumerservoir

(dm3)

Longueurconduitamont

rservoir

(mm)

Vanne de contrle de dbit

Gomtrie ducircuit aval2 longueurs:

0,7 m et 2,1 m

Volumerservoir

Longueur conduitamont rservoir.

l l


26/54


Quelques rsultats exprimentaux.


27/54


la limite de pompage

Effet combin du volume du rservoir et de lalongueur de conduit associ sur la limite de pompage

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,0140,016

0,018

0,02

AR1 AR2 AR3 AR4 AR5 AR6 AR7 AR8 AR9

Db

itlimitedepompage(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

Accroissementlongueur conduit




28/54


Influence du circuit amont sur la limite de pompage.

Interaction entre la longueur aval et la gomtrie 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

Dbitlimitedepompag

e(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


29/54



30/54


-Influence effective de la gomtrie du circuit dadmissionsur les caractristiques au pompage dun compresseur.

-Corrlation entre accord acoustique circuit amont-circuitaval et la limite de pompage.

-Cet accord acoustique ne semble pas affecter lescaractristiques en pompage tabli.

-Ltude de linfluence prpondrante de la gomtrie ducircuit refoulement, actuellement en cours, permettra uneanalyse plus complte des caractristiques en pompage des

compresseurs.

Conclusions actuelles sur les essais

en pompage des compresseurs.


31/54


La suralimentation par les turbocompresseursLa turbine


32/54


La Turbine- Description

La Volute met en vitesse les gaz issusdu moteur et les dirige vers ledistributeur

La Distributeuroriente le flux gazeuxvers les pales de la roue (peut tre gomtrie variable => contrle durapport de dtente)

La Roue reoit et rcupre lnergiedes gaz dchappement (chauds etsous pression)

Le Diffuseur assure la transition desgaz vers les conduits dchappement(ou vers le systme de dpollution)


33/54


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 dtente [-]

Dbit

rduit[kg/s]

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

Rendement[%]

80 000 tr/min 115 000 tr/min

155 000 tr/min 190 000 tr/min

215 000 tr/min 240 000 tr/min Blocage sonique

Turbine Caractristiques dutilisation

entre

sortieDet

PP=

0

0

PP

TT

mmentre

entre

gbTurb =

0

TTNNentre

Turb =


34/54


Adaptation des turbines

La turbine se comporte comme une tuyre

Caractristique [Dbit, Rapport de dtente] =courbe unique (indpendante de la vitesse de rotation)

Comment adapter le dbit moteurvariant fortement avec la vitesse derotation du moteur ?

En faisant varier le dbit traversantvarier le dbit traversantla turbinela turbine

Grce une vanne permettantde by-passer la turbine=> Turbine waste-gate ,dite gomtrie fixe

En faisant varier lavarier lacaractristique de la turbinecaractristique de la turbineGrce un distributeur de gaz=> Turbine dite gomtrievariable


35/54


Turbine Gomtrie Fixe

Waste gate : Permet de contrler le niveau de

suralimentation,

De by-passer lentre de la turbine,

De choisir des petits turbos adapts auxbas rgime et dviter la survitesse haut rgime.

Gaz alimentant la

turbine

Gaz dvispar la wastegate

Gaz sortant de laturbine

Intrts :- simplicit- cot

Inconvnients :-performance turbine

limite bas rgimes ouhauts rgimes- tanchit de la wastegate


36/54


Turbine Gomtrie 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 dtente [tot/stat]

Dbitcorrig

DKW

[kg.K0.5/s/bar]

4000 tr/min0 %

5 %

10 %

40 %

2000 tr/min

0 %4 %

16 %

1500 tr/min0 6 %

Grosse turbine diam. 45Caractristique +permable

Turbine adapte aux fortsdbit

Petite turbine diam. 35

Caractristique- permableTurbine adapte aux faibles

dbits

lignes de fonctionnementfonction de louverture WG


37/54


Turbine Gomtrie Variable

Plusieurs caractristiques Dbit/Rapport de dtente, La turbine doit tre adapte pour tous les dbits moteur,

=> Le by-pass nest plus ncessaire,

Il suffit de positionner la turbine sur la gomtrie adapte

Ailettes dentre (ou distributeur)

=> permettant de rorienterles vecteurs vitesse gaz / vitessepales

ailettes ouvertesailettes fermes

Intrts ::- optimisation du triangle des vitesses / N turbo=> gains de perfos / TGF

- variation de la section efficaceInconvnients :-mcanisme complexe et coteux- fiabilit (encrassement, tenue ailettes)- MAP difficile (pilotage non linaire,)


38/54


Turbine Gomtrie 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 dtente [tot/stat]

DbitcorrigDKW

[kg.K0.5/s/bar]

1500 tr/min

2000 tr/min

4000 tr/min Ailettes en position OuverteCaractristique +permable

Turbine adapte aux fortsdbits

Ailettes en position FermeCaractristique -permable

Turbine adapte aux faiblesdbits


39/54


La dpollution : Les circuits dEGR


40/54


Les besoins de dpollution

Actuellement Euro 4 Passage Euro 5

Puis Euro 6

En Diesel :Ncessit dutiliser des gaz brls recirculs(EGR) ladmission pour rduire les missions

de Nox.


41/54


EGR HP

EGR HP

De lamont turbine verslamont rpartiteur

admission

Fort couplage EGR / Sural Taux dEGR rgul par

Rack / wastegate turbine Vanne EGR Volet ladmission (botier

touffoir)

Dp EGR = PAVT PCOL


42/54


EGR BP

EGR BP

FAPDe laval turbine (FAP) vers

lamont compresseur

Faible couplage EGR / Sural

Taux dEGR rgul par Volet lchappement (aprs

FAP)

Vanne EGR

Dp EGR = CPE PAVC

Impact des architectures sur le fonctionnement du


43/54


Impact des architectures sur le fonctionnement ducompresseur

90000

110000

130000

150000

170000

190000

210000

230000

0,6

0,65

0,68

0,7

0,72

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]

PRtot/tot

EGRHPEGRBP

9000

11000

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

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 la


44/54


Impact des architectures sur le fonctionnement de laturbine

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 dtente

dbitrduit(kg/s.sqrt(K).bar)

EGR BP

EGR HP

2250 tr/min - 7 bar

Tmassique EGR 32 %

2000 tr/min - 6 bar

Tmassique EGR 43 %

Point difficile atteinteCourbe caractristique

Ailette ferme


45/54


La suralimentation double tageDouble turbo


46/54


Les dveloppements en double sural Diesel

BMW srie 5 /X5 (3L) sortie2004 : squentielle srie 210 kW => 70kW/L 580 N.m => 193 N.m/L

BMW srie 3 (2L) sortie 2006 :

squentielle srie 150 kW => 75 kW/L 400 N.m => 200 N.m/L

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

Mercedes (2,2 L) sortie venir:squentielle srie 150 kW => 68 kW/L 500 N.m => 227 N.m/L

Huyndai (2,2 L) sortie venir:squentielle srie 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 :squentielle srie 150 kW => 62,5kW/L 420 N.m => 175 N.m/L

Volvo D5

Fiat

Huyndai

Mercedes

PSA

BMW 335D

BMW 535D

50

55

60

65

70

75

80

160 180 200 220

Couple Spcifique (N.m/L)

P

Spcifique(kW/L

)

Positionnement du BMW 535d 3l par rapport aux moteurs


47/54


Positionnement du BMW 535d 3l par rapport aux moteursmono sural

9

11

13

15

17

19

21

23

25

1000 2000 3000 4000 5000

N (tr/min)

PMEcor.82[bar]

50

70

90

110

130

150

170

190

1000 1500 2000 2500

N (tr/min)

Couplespcifique[N.m/L]

Un intrt indniable bas rgimeImpact positif sur les transitoires

Suralimentation tage: larchitecture ti ll i


48/54


squentielle srie

Avantages :- dcouplage desphnomnes:petit turbo / bas rgimesgros turbo / haut rgimes

- possibilit daider lareprise du gros turbo

Inconvnients:- tenue mcanique - fiabilit- packaging + poids- transitoires =f(actionneur) ?- cot

Vanne deby-pass

Turbo HP

Turbo BP

RAS BPRAS HP

L hit t ti ll i


49/54


Larchitecture squentielle srie

L hit t h t BMW 535d


50/54


Larchitecture chappement BMW 535d

Fiat 1 9 jtd twin stage


51/54


Fiat 1.9 jtd twin stage


52/54


Conclusion

Conclusion


53/54


Conclusion

Le turbo est au cur des enjeux de lautomobile Moins synonyme de Puissance CO2 => Downsizing Dpollution Fiabilit : Forte densit dnergie, lubrification, refroidissement

Multiplication des fournisseurs turbo BWTS, HTT, IHI, MHI mais aussi Bosch-Mahle / Continental / stratgie 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, Contrle du turbo, dtarrage en altitude Brio bas rgime

Double suralimentation incontournable pour les moteursfortement downsizs Double turbo sur les trs petites cylindres : taille des TC! Compresseur + turbo (VW TSI)


54/54


QUESTIONS / REPONSES

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