Dossier Travail BTS AVA E4 - Eduscol
Avec une distribution normale des valeurs, l'indicateur de capabilité Cm tient
compte à la fois, de la dispersion de la machine et du centrage de la valeur ...
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Dossier questions
Problématique
Un constructeur constate quun nombre significatif de véhicules diesel équipés dun turbocompresseur à géométrie variable revient en concession suite à des problèmes de dysfonctionnement moteur.
Par une étude technique et scientifique, on cherche à déterminer la cause probable de ce dysfonctionnement.
Analyse du dysfonctionnement
Informations communiquées par le client :
Lors de la montée en régime, le moteur tourne irrégulièrement, la montée en régime nest pas progressive.
Le moteur manque de puissance et ne réagit pas instantanément après une action rapide sur la pédale daccélérateur.
Toutefois, à pleine charge et une fois lancé, le moteur délivre une puissance normale.
Le client na pas constaté la présence anormale de fumées à léchappement.
Observations et tests réalisés par le réceptionnaire :
Poste de conduite : Aucun bruit de fonctionnement anormal, le témoin « défaut mineur du calculateur moteur » est allumé au tableau de bord.
Le système dassistance au freinage fonctionne.
Le carnet de bord indique un entretien régulier du véhicule.
Compartiment moteur : Les connexions sont conformes, tous les raccords pneumatiques sont en bon état.
Lappareil de diagnostic indique que le calculateur moteur a enregistré une incohérence de mesures au niveau de la régulation de pression de suralimentation.
1 - Organisation structurelle et fonctionnelle des composants.
Etude du schéma du circuit dair (documents ressource A2/15 et A3/15)
1.1 Sur le schéma fourni document réponse C1/6, en supposant que la vanne EGR (4) est fermée, coloriez :
- le circuit dadmission en bleu ;
- le circuit déchappement en rouge.
1.2 Un dysfonctionnement de la vanne EGR peut-il être à lorigine des symptômes ressentis par le client ? Justifiez votre réponse.
Si cet élément était défectueux, quels seraient les symptômes observables sur le véhicule ?
Etude du schéma électrique (documents ressource A8/15 à A10/15)
1.3 Sur le schéma électrique du document réponse C2/6, repérez en les encerclant les capteurs et pré-actionneurs suivants relatifs à la régulation de pression du circuit dair du moteur :
Capteur de recopie de position de turbo
Électrovanne de régulation de pression de suralimentation
Capteur de pression dair de suralimentation
1.4 Repassez en rouge les liaisons électriques entre le calculateur et ces trois éléments.
1.5 Complétez les colonnes du tableau page C3/6.
2 - Démarche de diagnostic
Un essai routier avec lappareil de diagnostic embarqué a permis de mettre hors de cause le capteur de pression de suralimentation.
A partir de lanalyse des ressentis client et réceptionnaire et de lanalyse structurelle qui vient dêtre faite, on oriente la démarche de diagnostic sur les éléments suivants :
échangeur air/air
mécanisme de variation de la géométrie du stator de turbine
poumon de commande de variation et son capteur de recopie de position
2.1 Complétez le tableau du document réponse C3/6 en remplissant les colonnes :
liste des causes possibles de dysfonctionnements sur lélément considéré
contrôles visuels ou signaux et / ou grandeurs physiques à vérifier.
3 Etude du circuit de commande par dépression
Schéma pneumatique de la commande de variation de géométrie du turbocompresseur
3.1 Complétez le schéma pneumatique du système de commande de régulation de la pression de suralimentation du document réponses C4/6 en ajoutant les différents raccordements et conduites pneumatiques.
Le constructeur indique une pression nominale absolue de commande de 0,3 bar (dépression de 0,7 bar) moteur au ralenti.
3.2 Proposez dans le cadre du document réponse C4/6 une procédure permettant de vérifier que la dépression arrive bien à lélectrovanne (7) puis au poumon (9).
4 - Etude thermodynamique du circuit de suralimentation en air
Létude thermodynamique du moteur diesel turbocompressé a pour objectif de montrer linfluence de léchangeur air / air dans les symptômes décrits par le client, ainsi que de déterminer les paramètres détat des gaz déchappement dans le but de valider le fonctionnement du dispositif de géométrie variable du stator de turbine.
Durant toute cette étude, l'air sera considéré comme un gaz parfait, et on négligera la modification de ses caractéristiques liée à l'injection de carburant et à la combustion de celui-ci
Données techniques et thermodynamiques
Type de moteur DW10BTED4
Nombre de cylindres n = 4
Cylindrée totale 1997 cm3
Alésage x course 85 x 88 (mm)
Rapport volumétrique eð = 17,6 / 1
Pression de suralimentation maximale absolue padm = 2,3 bar
Puissance maximale 100 kW / 136 ch
à 4000 tr/min
Constantes de l air, considéré comme un gaz parfait : rair = 287,1 J.kg-1.K-1
gð = 1,4
Schéma pneumatique du circuit de suralimentation en air
Travail préliminaire
4.1.1 Calculez les capacités thermiques massiques cv et cp de lair.
4.1.2 Calculez la cylindrée unitaire (notée Vu) et les volumes aux points morts haut et bas, notés VPMH et VPMB.
Détermination des paramètres détat de lair en sortie du compresseur
En aval du filtre à air, les paramètres dadmission sont : T1 = 288 K, p1 = 0,9 bar
4.2.1 Déterminez la masse volumique rð1 de l air à l entrée du compresseur.
Le constructeur indique une pression maximale absolue en sortie de compresseur de 2,3 bar.
La compression de l air est considérée comme isentropique. On rappelle que pour une transformation isentropique, on a la relation EMBED Microsoft Equation 3.0
4.2.2 Déterminez la température théorique de l air T2is en sortie du compresseur.
Dans les conditions de fonctionnement du turbocompresseur, le rendement isentropique de compression a pour valeur hðis_comp = 0,7. On rappelle que EMBED Microsoft Equation 3.0
4.2.3 Déterminez la température réelle T2r de l air en sortie du compresseur.
On donne à titre de vérification T2r = 414,5 K.
4.2.4 Calculez la masse volumique rð2 de l air en sortie du compresseur.
Etude de l échangeur air / air
On fait l hypothèse que la température de l air au passage de l échangeur chute de 60 K de manière isobare.
L étude thermodynamique nous indique alors que la masse volumique de l air en sortie de l échangeur est rð3 = 2,26 kg.m-3.
En faisant lhypothèse dun rendement constant, on peut considérer que la puissance maximale du moteur est directement proportionnelle à la masse volumique de lair admis dans les cylindres.
Si léchangeur air / air était colmaté, la température de lair ne diminuerait pas à son passage et on retrouverait au point 3 la même masse volumique quau point 2.
4.3.1 Estimez alors quelle serait la puissance maximale du moteur dans ces conditions, ainsi que la variation de puissance en pourcentage.
4.3.2 Cette baisse de puissance vous parait-elle cohérente avec les symptômes évoqués par le client ? Que concluez-vous quant à lhypothèse dun échangeur colmaté ?
Détermination du débit masse dair traversant le moteur
Suite à létude précédente, on considère que léchangeur air / air nest pas en cause.
La masse volumique de lair à lentrée des cylindres est rð3 = 2,26 kg.m-3.
On fait l hypothèse qu en raison de la suralimentation et de l épure de distribution, chaque cylindre admet à chaque cycle une quantité d air frais correspondant à son volume au point mort bas.
On donne VPMB = 529,33 cm3.
4.4.1 Calculez la masse dair admise à chaque cycle pour lensemble du moteur.
4.4.2 Déduisez le débit masse dair traversant le moteur à un régime de 3000 tr.min-1.
Etude énergétique du turbocompresseur
4.5.1 En exploitant les résultats précédents, calculez le travail massique de transvasement wtr12 fourni à lair par le compresseur.
4.5.2 Calculer la puissance mécanique sur larbre du compresseur Pmec_comp.
On suppose que le rendement mécanique du turbocompresseur est hðm = 0,9.
4.5.3 Calculez la puissance mécanique prélevée sur la turbine Pmec_turb.
4.5.4 Calculer le travail massique de transvasement wtr45 prélevé aux gaz d échappement par la turbine (attention au signe !)
Sachant que la présence du catalyseur et du filtre à particules entraîne une pression absolue en aval de la turbine estimée à p5 = 1,12 bar, une étude thermodynamique et énergétique de l écoulement dans la turbine permet de calculer les valeurs suivantes :
p4 = 3,375.105 Pa ; T4 = 520,04 K ; rð4 = 2,2598 kg.m-3 ; T5 = 379,49 K ; rð5 = 1,0280 kg.m-3
Ces résultats vont permettre de déterminer dans la partie suivante les caractéristiques de l écoulement au niveau de la turbine.
5 - Étude de l'écoulement dans la turbine
L'objectif de cette étude est de comprendre comment le dispositif de variation de géométrie du turbocompresseur permet d'en optimiser le fonctionnement, de contrôler la variation de pression d'admission et de réguler son régime de rotation.
Présentation de la géométrie variable du stator de turbine
Aubes mobilesLe stator de turbine comporte 11 aubes mobiles dont les axes de rotation sont répartis sur un diamètre de 59 mm.
Le déplacement angulaire de ces aubes est assuré depuis larrière du stator par un système à cames commandé par une capsule à dépression (poumon) montée sur le corps du turbocompresseur. Létude de cette commande sera lobjet dune autre partie du sujet.
Commande des aubesLa variation angulaire de position des aubes de stator de turbine permet de modifier à la fois la section de passage des gaz, donc leur vitesse, et langle dattaque de ceux-ci sur les aubes de la turbine.
Cette variation permet de contrôler le régime de rotation de la turbine, donc la pression de suralimentation délivrée par le compresseur.
Cette régulation permet de se dispenser dun « waste gate » (clapet de décharge) présent sur les turbocompresseurs à géométrie fixe.
Aubes ouvertes
Aubes fermées
Modélisation de la variation de géométrie
Afin de pouvoir effectuer assez simplement quelques calculs permettant de mieux comprendre lintérêt de la géométrie variable, il est nécessaire de modéliser la géométrie du stator de turbine.
5.1.1 Sachant quil y a 11 aubes réparties sur un diamètre de 59 mm, déterminez le pas p entre deux aubes.
5.1.2 A l aide d une construction géométrique que vous indiquerez sur votre feuille de copie, exprimez l espace e entre deux aubes en fonction de l angle að et du pas entre les aubes.
La largeur (notée c) des aubes est de 7,3 mm. Montrez que la section de passage offerte aux gaz d échappement par l ensemble des aubes est donnée par S = 1,353.10-3.sin að ð ð ð ð ð ð (S en m2)
Etude de la vitesse des gaz en sortie de stator
On admettra que les paramètres d'état des gaz d'échappement, qu'on assimilera à de l'air considéré comme un gaz parfait, sont en entrée de stator de turbine p4 = 3,374 bar, T4 = 520 K et rð4 = 2,26 kg.m-3.
Au régime moteur étudié, on admettra que le débit masse d air traversant le moteur et le turbocompresseur est qm = 0,120 kg/s.
5.2.1 Calculez le débit volume qv de l air à l entrée du stator de turbine.
5.2.2 Déterminez alors le module V de la vitesse des gaz en fonction de l angle að des aubes de stator de turbine.
5.2.3 En admettant l hypothèse que le flux des gaz d échappement arrive sur la turbine avec un angle að identique à l inclinaison des aubes de stator, calculez les composantes radiale Vr et tangentielle Vt de la vitesse des gaz en fonction de l angle að.
Etude de la roue de turbine.
Vue complète de la roue de turbineLa roue de turbine du turbocompresseur est de type hélico-centrifuge.
Sur sa partie extérieure, qui reçoit le flux dair venant du stator, les aubes peuvent être considérées comme radiales.
Dune manière simplifiée, on peut considérer que selon le coté des aubes sur lequel arrive le flux des gaz déchappement, la turbine sera accélérée ou ralentie. Vue coupée de la roue de turbine illustrant laspect radial des aubes.
5.3 Exprimez la vitesse tangentielle Vtturbine de lextrémité des aubes de la roue de turbine en fonction de la vitesse de rotation wðturbine de la roue et du rayon extérieure de celle-ci, notée R.
La comparaison de cette vitesse Vtturbine avec la vitesse tangentielle Vt des gaz d échappement en sortie de stator va permettre de comprendre comment la variation dangle des aubes de stator influe sur laccélération ou le ralentissement de larbre du turbocompresseur, et donc sur son régime et sur la pression de suralimentation du moteur.
Si Vt > Vtturbine, alors les gaz « poussent » la turbine et celle-ci accélère.
Si Vt < Vtturbine, alors la turbine se freine sur les gaz déchappement.
Etudes de cas
Le rayon extérieur de la roue de turbine est R = 22 mm.
On admet que la turbine tourne à un régime Nturbine = 100 000 tr/min
5.4.1 Calculez la vitesse de rotation de la turbine wðturbine en rad/s.
5.4.2 Calculez l angle að des aubes qui permet aux gaz d échappement d arriver à la même vitesse tangentielle que les aubes de la roue de turbine (Vt = Vtturbine).
5.4.3 Si on veut ralentir la vitesse de rotation de l arbre du turbocompresseur, faut-il augmenter ou diminuer l angle að ? Justifier.
5.4.4 L angle að peut varier de 4 à 31,5 °. Dans les conditions d échappement étudiées, déterminez les vitesses mini et maxi de rotation de la turbine (vitesses pour lesquelles Vt = Vtturbine).
6 Etude mécanique de la commande de régulation du turbocompresseur
La variation de géométrie du stator de la turbine du turbocompresseur est commandée par une capsule pneumatique à dépression.
Cette capsule, aussi appelée « poumon » peut être modélisée par un vérin simple effet représenté ci-dessous.
Section du poumon Modélisation par un vérin
Simple effet
Vue densemble du dispositif de commande des aubes
Des mesures et calculs ont permis destimer que ce vérin équivalent aurait comme caractéristiques :
Alésage du vérin D = 48 mm
Raideur du ressort k = 4,3 N.mm-1
Longueur à vide du ressort l0 = 35 mm
Longueur au repos du ressort monté dans le poumon l1 = 30 mm
Course utile du vérin (butée) c = 22 mm
Le déplacement de la tige est commandé par la différence de pression appliquée entre la surface supérieure du piston (reliée au circuit de commande par dépression) et la surface inférieure soumise à la pression atmosphérique, que lon admettra égale à patm = 1 bar.
On admettra dans toute cette étude que les différentes pressions sappliquent sur lintégralité de la surface S du piston.
Relation entre la dépression appliquée et le déplacement de la tige du poumon en labsence deffort sur la tige.
6.1.1 Calculez leffort F0 exercé au repos par le ressort sur la surface supérieure du piston.
6.1.2 Calculez la pression absolue p à appliquer dans le vérin pour que le piston décolle de son siège (la valeur calculée doit être inférieure à la pression atmosphérique).
La dépression maximale (pression relative) créée par la pompe à vide du véhicule est prel_max = 0,7 bar (ou en pression absolue pabs_max = 0,3 bar).
6.2.1 Calculez le déplacement Dðlmax de la tige du vérin lorsque la dépression maximale est appliquée
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6.2.3 Relevez sur le document réponse C5/6 la valeur de dépression relative nécessaire pour amener le vérin en butée. Repérez ce point ( en rouge sur la courbe 1 du document réponse.
6.2.4 Relevez leffort exercé par le ressort sur le piston quand le piston est en butée haute. Repérez ce point ( en rouge sur la courbe 2 du document réponse C5/6.
Etude de linfluence dun effort résistant sur les caractéristiques du poumon.
En temps normal, la commande de mouvement des aubes nentraîne que très peu defforts sur la tige du poumon.
Toutefois, en raison de la présence de particules dans les gaz déchappement, le dispositif peut progressivement sencrasser jusquau grippage.
La position de la tige du poumon étant évaluée par le potentiomètre de recopie présent sur sa face supérieure, le calculateur peut mesurer la différence entre la position demandée et celle réellement obtenue, et corriger ainsi la consigne.
Le constructeur prévoit que le calculateur passe en mode dégradé si lécart entre la valeur attendue et la valeur mesurée dépasse + 30 % ou 20 %.
6.3.1 Le calculateur, via le signal RCO envoyé à lélectrovanne de régulation de pression de suralimentation, commande une dépression relative de 0,4 bar. A laide des courbes du document réponse C5/6, déterminez la position de la tige du poumon et leffort exercé par le ressort en labsence de charge résistante. Repérez ce point ( en rouge sur les deux courbes du document réponse C5/6.
6.3.2 Calculez les positions acceptées par le calculateur pour une tolérance de position de + 30 % et de 20 %. Représentez ces deux points extrêmes ( et ( sur le document réponse C5/6.
A partir dune étude statique analytique faisant intervenir leffort résistant F, ou par interprétation des courbes fournies sur le document réponse C5/6, déterminez la valeur de leffort résistant F (qui peut être >0 ou
