Brevet FR2068767A1 — publié le 19710903

i 20687.67 L'invention concerne un procédé poux suralimentation d'un moteur à combustion interne par impulsions, dans lequel les ondes de pression de pré-échappement d'au moins cinq cylindres de travail alimentent l'entrée d'au moins une machine 5 de suralimentation, et les orifices des canalisations de gaz • * brûlés des cylindres sont pourvues d'ajutages ; l'invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre dudit procédé* Pour la suralimentation des moteurs à com-10 bustion interne, on connaît des procédés qui fonctionnent soit par impulsion, soit à pression constante« le fonctionnement à pression constante présente l'inconvénient de pertes en énergie cinétique lors de l'entrée des gaz brûlés dans le récepteur. En outre, dans les 15 moteurs à deux temps, la turbine, à charge partielle, dispose de trop peu d'énergie pour qu'un turbo-eompresseur tournant librement puisse suffire sans l'aide d'un compresseur auxiliaire supplémentaire. C'est pourquoi, il faut le plus souvent adjoindre un compresseur auxiliaire entraîné mécaniquement. 20 Dans le fonctionnement par impulsion, les pertes au remplissage et à la vidange prenant naissance dans les conduites d'échappement et dans la turbine et, à alimentation partielle, les pertes de turbine et ventilation sont désavantageuses. Ces pertes se présentent lorsque, par période de 25 travail correspondant à 360* d'angle de villebrequin pour des moteurs à deux temps, et à 720° angle de villebrequin pour des moteurs à quatre temps ; une ou deux impulsions d'échappement seulement sont admises à l'entrée du turbo-eoppresseur. ïïn autre inconvénient du fonctionnement par impulsions résulte des 30 fortes réflexions de l'onde de pression de pré-échappement dans le système de turbine et de canalisation de gaz brûlés, car9 d'une part, la section libre de turbine est une grandeur dét»r-minée par la pression de charge, la température de gaz brûlés, et la quantité d'air, et d'autre part, la surface de section 35 des canalisations de gaz brûlés ne peut être adaptée que dans d'étroites limites» Il est connu de diminuer, par utilisation de réductions en forme d'électeurs sur les canalisations de gaz brûlés, la pression au point où. la canalisation débouche 40 dans le diffuseur, suffisamment pour pouvoir éviter partielle 69 45650 2 2068767 ment an trouble de la iflaase de balayage dans une zone très étroite de travail du. moteuro Des limites sont imposées à cette possibilité, car d'une part la conversion de pression en vitesse, et inversement ensuite, est lié» à des pertes, et d'au-5 tre part, un étranglement trop fort des conduites de gaz brûlés allonge trop la durée du pré-échappement en raison des fortes réflexions sur l'ajutage*. Dans les moteurs à. Quatre temps, ceci conduit à une élévation du travail de refoulement des pistons et à un accroissement de la consommation de combustible, 10 d'où, il peut résulter une perturbation du balayage. Le balayage est également influencé dans les moteurs à deux temps» Il est, an outre, connu de suralimenter les groupes à quatre cylindres, ayant un intervalle d'allumage égal ou supérieur à 90° d'angle de vilebrequin pour les moteurs à 15 deux temps, et à 180* d'angle de vilebrequin pour les moteurs à quatre t@apss par un'système, dans lequel deux cylindres, ayant un intervalle d'allumage de 180® d'angle de vilebrequin pour deux tempaj, ®t un intervalle de 360° d'angle de vilebrequin pour quatre temps,, sont raccordés à-une conduite de gaz brûlés 20 commun» les gaz brûlés des deux conduites étant envoyés à une seul® entrée de gaz de la machine de suralimentation. En ce qui concerne la suralimentation de groupes .à plusieurs cylindres9 présentant an intervalle d'allumage plus petit que 90° d'angle de vilebrequin pour les moteurs deux temps, et plus petit que 25 180° d'angle de vilebrequin pour les moteurs à quatre temps ; l'idée est admise chez les gens de métier qu'un groupement analogue des canalisations de gaz brûlés sur une entrée de gaz est impossible, car on ne pourrait éviter une perturbation de la phase de balayage due à l'apparition d'ondes de pression» 30 La présente invention se propose de surmontes se préjugé des gens de métier et, sur les moteurs à combustion interne ayant un intervalle d'allumage inférieur à 90* d'angle de vilebrequin dans le cas des deux temps, et à 180° d'angle de vilebrequin dans le cas de quatre temps, de réduire ou d'é-35 viter les pertes aérodynamiques inhérentes au fonctionnement;, et simultanément d'obtenir largement la liberté de réflexion du système de suralimentation., La solution du problème suivant l'invention est caractérisée en ce que, au moins une onde de pression de 40 pré-echappeseat pendant une période de changement de gas est 69 45650 3 2068767 décomposée en une onde de pression principale et au moins une onde secondaire de pression, et en ce que l'onde de pression principale et l'onde de pression secondaire sont modulées de telle façon qu'une contre-pression admissible ne soit pas dé-5 passée dans les canalisations de gaz "brûlés du cylindre balayé en cours de balayage » Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que les ajutages des canalisations de gaz brûlés débouchent dans un dispositif 10 de modulation, qui communique, dans le sens de l'écoulement, avec un diffuseur relié à l'entrée de la machine de suralimentation. Un autre aspect de l'invention est caractérisé par un tube de renversement pour la modulation de l'onde de pression secondaire, fermé à une extrémité, et qui présente, à son autre 15 extrémité, un ajutage débouchant dans le dispositif de modulation ; la longueur de ce tube de renversement est au moins égale au quotient du triple de la vitesse du son des gaz brûlés par le nombre de tours nominal du moteur à combustion interne. 20 Une autre réalisation de l'invention est ca ractérisée en ce que les ajutages de la conduite de gaz brûlés et de l'éventuel tube de renversement sont réunis dans un noeud où. la surface de section du diffuseur est au moins égale à la différence entre 2,5 fois la surface de section à l'en-25 droit le plus étroit d'un ajutage de canalisation de gaz brûlés et la demi somme des surfaces de section aux endroits les plus étroits de tous, les autres ajutages restantsc L'invention sera décrite ci-après , plus en détail, en se référant aux dessins : 30 la figure 1 montre un exemple de réalisation appliqué à un moteur à grande vitesse, à 10 oyliadres-4 temps en Y; la figure 2 montre un graphique de l'allure de la pression en fonction de l'angle de vilebrequin pour le 35 moteur représenté sur la figure 1 ; » la figure 3 représente un exemple de réalisation pour un moteur lent, à six cylindres en ligne-2 tempsj la figure 4 montre un diagramme pression-angle de vilebrequin pour le moteur à combustion représenté 40 sur la figure 3. 69 45650 2068767 Le moteur à combustion représenté sur la figure 1 présente un ordre d'allumage défini par 1-9-3-7-5-6-4-8— 2-10. Les différents cylindres sont repérés de 1 à 10, chaque groupe de deux cylindres opposés, par exemple 2 et 7t étant rac-5 cordés à une canalisation commune de gaz brfilés 22, pour les cylindres donnés en exemple. Grâce à cette disposition, ee sont toujours les cylindres dont l'intervalle d'allumage est de 360* d'angle de vilebrequin, + l'angle Y du moteur intéressé, qui " sont réunis. 10 Les cinq tronçons de canalisations ainsi ob tenus par lesquels les gaz brûlés sont évacués sont repérés 21-25. Chacune des canalisations de gaz brûlés est, du. côté tourné vers la machine de suralimentation 20, pourvue d'un ajutage 14 ou 15. Par leur jonction 18, ces ajutages sont reliés 15 au diffuseur 19, ainsi qu'à l'entrée de gaz dans la machine de suralimentation 20. Une onde de pression de pré-éohappement pénétrant dans la jonction 18 est décomposée en une onde de pression principale directement envoyée à la machine de suralimen-20 tation, et en au moins une onde de pression secondaire, cette onde secondaire se propageant dans les canalisations de gaz brûlés ainsi que dans le dispositif de modulation. Par un choix approprié des rapports des sections de turbine, de canalisations de gaz brûlés, de sections les plus étroites de buses et 25 des buses du dispositif de modulation, il est possible d'agir sur les amplitudes de l'onde de pression principale et de l'onde de pression secondaire, de telle sorte que, d'une part, la machine de suralimentation soit alimentée "quasi libre de réflexion" et que, d'autre part, un cylindre en cours de balayage 30 ne soit pas gêné. Il est recommandé de choisir le rapport de surfaces de la section du diffuseur à la section efficace de passage 3?^ de la machine de suralimentation plus petit que 1,7 : 1 , la limite inférieure du rapport de surface étant 35 donnée par l'équation suivante : gH- = 5 - k ^E , 2 Ft 40 dans laquelle : 69 45650 s 2068767 2 est la surlace de la section du diffuseur en cm , Fg est la surface de section des ajutages des conduites de gaz "brûlés au point le plus étroit, en cm^ , k est le nom"bre de canalisations de gaz "brûlés débouchant 5 dans la jonction. le rapport % s I\j, s» 1:1 est à considérer comme la valeur limite inférieure absolue» Il est toutefois apparu que la seule division en onde de pression principale et en ande de pression secondaire 10 ne permet pas d'obtenir la liberté de reflexions recherchée, et qu'il y a lieu de compter avec un décalage dans le temps de l'onde de pression secondaire sur l'onde de pression principale, de » 30 à 40° d'angle de vilebrequin, la longueur de la canalisation des gaz brûlés, qui doit être considérée ici comme 15 dispositif de modulation et qui représente la grandeur prépondérante pour le décalage dans le temps de 1'onde de pression secondaire, peut être très simplement calculée par la formule : h 0 s 1. m f 20 12 n dans laquelle 1 est la conduite de canalisation en mètres, n le nombre de tours nominal du moteur en tours/min, §-^ la durée de propagation de l'onde de pression de pré-échappement en degrés d'angle de vilebrequin, et à la vitesse moyenne du son 25 des gaz brûlés en m/s « Il en ressort que la longueur 1 du dispositif de modulation est au moins égale au quotient du triple de la vitesse du son â par le nombre de tours nominal no D'après ce qui précède, il est possible que les longues canalisations, 21 et 22 par exemple, provoquent une 30 réflexion de l'onde de pression secondaire, et ainsi un décalage dans le temps de cette dernière. Naturellement, il est toujours admis que la conduite de gaz brûlés considérée est fermée à son extrémité côté cylindre» Mais, s'il se produit le cas que, pour l'un 35 des cylindres considéré, cette exigence n'est pas satisfaite par l'une des canalisations de gaz brûlés 21 à 25, il y a lieu de prévoir un tube de renversement non représenté sur la fig» 1» Pour éclairer plus en détail le fonctionnement du dispositif suivant l'invention, la figure 2 montre un diagramme de la pres-40 sion pendant la permutation des gaz, l'angle da vilebrequin 69 45650 2068767 étant porté en abscisses et la pression p en ordonnées# Les surfaces tracées au-dessous de 1'abscisse représentent les temps de commande des soupapes® Le point AO signifie "Ouverture de l'échappement", alors que le point 5 AS correspond à "Fermeture de l'échappement" . En outre EO, indique l'angle de vilebrequin d'ouverture de la soupape d'admission et 01 est le point mort haut du .cylindre 1» Entre les points EO et AS , est représenté le balayage à considérer du. cylindre 1, balayage qui serait troublé par les ondes de pres-10 sion de pré-échappement qui s'ensuivent, apparaissant dans le fonctionnement normal par impulsions. L'allure des ondes de pression de pré-échappement non réduites du cylindre suivant est représentée par les courbes en traits tirets fin g et g" • L'allure de la pressioh le long de la courbe en traits mixtes 15 gras a montre la pression dans le cylindre 1, dans une partie de la zone d'expansion et de balayage. La ligne en pointillés fin m détermine la pression moyenne de balayage» La ligne épaisse en traits pleins b montre l'allure de la pression qui s'établit dans l'arc 20 d'angle de vilebrequin considéré, d'environ 360° , la pression étant mesurée dans le tronçon de canalisation de gaz brûlés du cylindre 1. L'allure de la courbe entre les points B - 0 montre l'effet de l'onde de pression provenant du cylindre 1 en avant du cylindre 1» LE montre l'onde de pression oorrespon-25 dant au cylindre 9, F-G- l'onde de pression du cylindre 3, I - H de la même façon que celle du cylindre 7 et K - L l'onde de pression de l'impulsion des gaz brûlés du cylindre 5. On remarque que le balayage du cylindre 1 n'est en aucune sorte troublé, et que la pression de balayage ne sera à nouveau dé— 30 passée qu'au point Cette onde de pression ne peut toutefois apporter aucun trouble, car pendant son écoulement, aucun des cylindres raccordés à la conduite considérée de gaz brûléé n'est soumis au balayage® La courbe en tirets épais b' montre l'al~ 35 lure de la pression dans la canalisation de gaz brûlés 23 des cylindres 3 et 8, pour le même arc d'angle de vilebrequin, et l'on reconnaît que l'allure de la pression est décalée, en principe, de l'intervalle d'allumage entre les cylindres 1 et 3. 69 45650 2068767 la ligne fine en traits pleins £ montre l'allure de l'onde principale de pression dirigée vers la machine de suralimentation 20, la pression étant mesurée dans le diffuseur 19» On voit, d'après son allure, que la décompo-5 sition des ondes de pression de pré-échappement g à g" en ondes de pression principale et secondaire donne une pulsation de fréquence plus élevée, mais d'amplitude plus faible., Il en découle l'avantage qu'entre deux impulsions de gaz brûlés, il se produit de courtes pauses, pendant lesquelles la pression 10 ne tombe pas au niveau de la pression atmosphérique, et, de plus, la turbine peut exploiter les impulsions'de pression reçues, quasi sans réflexion. Un autre avantage à citer est que, dans ce système de suralimentation, on peut utiliser des turbocompresseurs plus petits que d'habitude, ce qui en montre le 15 côté économique. Un autre exemple de réalisation du procédé de suralimentation suivant l'invention est représenté sur la figure 3, oii les différents cylindres du moteur sont repérés de 1 à 6. les gaz brûlés des cylindres 1 à 3 sont amenés à la 20 machine de suralimentation 20 par une canalisation 11, et les gaz brûléé des cylindres 4 à 6 par une autre canalisation 12. L'ordre d'allumage du moteur à combustion six cylindres, deux temps est défini 1-5-3-6-2-4* les canalisations de gaz brûlés 11 et 12 sont pourvues d'ajutages 13. 25 Dans la jonction 18, l'onde de pression de pré-échappement d'un cylindre est encore décomposée, et l'onde de pression secondaire se propage tant dans le tronçon libre de canalisation de gaz brûlés que dans le tube de renversement 16. A l'instant où les gaz brûlés sortent d'un des cylindres 30 qui est raccordé à la longue canalisation, un décalage dans le temps de l'onde secondaire de pression, obtenue par décomposition, dans la canalisation courte, n'est pas possible, car une vérification par le calcul des conditions de cet exemple de réalisation a montré une réflexion sur la turbine, et une 35 perturbation du balayage. Pour éviter des rapports de section trop petits, on a raccordé le tube de renversement 16 à la jonction 18 par un ajutage 15. La jonction 18 se prolonge à nouveau 69 45650 8 { 2068767 jusque dans le diffuseur 19* et celui-ci est relié à l'entré* de gaz de la machine 20 de suralimentation# le mode de fonctionnement du tube de renversement sera expliqué à nouveau à l'aide d'un diagrarae de 5 l'allure de la pression en fonction de l'angle y de vilebrequin, représenté fig. 4. les courbes, différenciées par le mode et l'épaisseur des traits, correspondent à celles de-la figure 2 et ont la même signification. Less surfaces tracées au-dessous de l'axa 10 des abscisses caractérisent àe nouveau les temps de cowande des soupapes, et l'on a de nouveau iO "ouverture de l'échappement", AS "Fermeture de l'échappement" , EO "Ouverture d« l'admission", et de plus le point ES "Fermeture de l'admission". Différent de la figure 2, on a représenté le point 15 mort bas US , qui pour les moteurs deux temps,se situe au milieu de la phase dé balayage d'un tel moteur. Sur la courbe b , oa voit qu'à partir du point I apparaît l'impulsion d'échappement du eylindre 1 qui agit jusqu'en II de l'arc d'angle de vilebrequin» Dans la zone 20 de III à IV, autour du point mort bas du cylindre 1, se Manifeste l'effet de l'onde de pression des gaz brûlés du cylindre 5, par la légère augmentation de pression dans la conduite de gaz brûlés 11. L'onde de pression de gaz brûlés b*, créée 25 dans la canalisation 12 par l'impulsion d'échappement du cylindre 5, sera, au moyen du dispositif de modulation 13» 15» 17 et 18, convertie et décalée de telle sorte que la pression effective dans la canalisation de gaz brûlés 11 ne dépasse pas la pression moyenne de balayage m pendant la phase de balaya-30 ge du cylindre 1. L'effet décrit est concrétisé par l'allure de la courbe b entre les points III et 17. Sur le diagramme, on voit de plus que la pression moyenne de balayage m se trouve un peu au-dessus de la pression effective dans le cylindre aux points indiqués de 35 l'angle de vilebrequin, et aussi que la pression des gaz brûlés £ dans la canalisation 11 présente, au point US , une valeur plus petite que la pression moyenne de balayage ■ . Il en résulte que le balayage du cylindre 1 n'est pas troublé par l'onde de pression de pré-échappement du cylindre 5 bien BA£> ORIGINAL 69 45650 2068767 que, comme le montra la courbe g en traits tirets fins, une perturbation momentanée du balayage pourrait être provoquée. Puis, s'établit de nouveau une onde de pression de gaz brûlés normale du cylindre 3, qui est représentée par la partie com-5 prise entre les points Y et VI de la courbe b . la courbe o représente les ondes de pression envoyées à la machine de suralimentation 20, cette allure de pression étant mesurée dans le diffuseur 19 immédiatement avant l'entrée dans la machine à suralimentation. On déduit 10 de l'allure de la courbe qu'entre les ondes principales de pression apparaissent en outre des ondes d'intensité plus faibles, qui indiquent l'efficacité du dispositif de modulation. Mais il apparaît que, pour les différentes longueurs des temps de propagation, surviennent aussi différentes variations dont 15 l'effet se fera le plus souvent sentir dans le flanc descendant des ondes de pression. En pratique, il n'est pas possible, pour les moteurs lents, pour des raisons de conduction de donner au tube de renversement une longueur répondant aux exigences. 20 C'est pourquoi on a proposé, pour ces moteurs, de donner à la section du tube de renversement 16 une valeur multiple de la plus grande des sections d'ajutage, de façon à obtenir un volume au moins égal au double de celui d'un cylindre. Une onde de pression secondaire pénétrant 25 dans le tube de renversement 16 sera diminuée en amplitude à eaux de l'agrandissement de la section, et se propagera jusque contre l'extrémité fermée du tube de renversement 16. là, l'onde secondaire de pression est réfléchie et se déplace à sa vitesse de propagation vers l'ajutage 15. En raison de 30 l'élargissement de section, une partie seulement de l'onde de pression pourra sortir, pour être à nouveau dirigée vers la machine de suralimentation 20. le reste de l'onde de pression est, par suite de la réflexion au changement de section, obligé à parcourir de nouveau le tube de renversement. l'onde de 35 pression restante se réfléchit comme précédemment, l'onde secondaire de pression, et le processus se reproduit au changement de sections, de sorte qu'au lieu d'une seule onde secondaire de pression, ce sont plusieurs ondes partielles plus petites qui influent sur l'entrée de gaz dans la machine de 40 suralimentation, et de cette façon une perturbation du 69 45650 3,0 2068767 balayag* peut être complètement évitée. Les ondes secondaires de pression, qui pénètrent successivement dans le tube de renversement, se superposent à l'onde de pression restante à nouveau réfléchie, 5 ce qui améliore le fonctionnement du tube de renversement à section élargie. L'avantage général de l'invention consiste en ce qu'avec ce processus, des moteurs à combustion à deux et quatre temps ayant 5, 7, 8, 10, 11, 14 cylindres et plus, 10 peuvent être suralimentés, sans qu'on soit obligé de tenir compte du type de construction et sans que la grandeur et le choix des intervalles d'allumage des cylindres, raccordés par des canalisations de gaz brûlés à une entrée de gaz de la machine de suralimentation, soient des Valeurs d'influence pré-15 pondérantes» L'indication des nombres de cylindre précités ne signifie toutefois pas que, sur les moteurs ayant des groupes de trois cylindres réunis côté sortie de gaz, l'application du procédé suivant l'invention est impossible, et 20 dans ce cas les avantages indiqués seront aussi efficaces» Il subsiste toutefois le fait positif limitatif que de tels moteurs à combustion offrent des conditions bien plus favorables au point.de vue technique de suralimentation, de sorte que les avantages que l'on peut obtenir grâce à l'invention sont plus 25 faiblement ressentis» Un des plus importants avantages précités de suralimentation suivant l'invention est l'extraordinaire-ment bonne adaptation de la suralimentation au régime de travail du moteur à combustion. C'est pourquoi il est possible, 30 avee ee procédé de suralimenter, sans moyens techniques très coûteux, des moteurs à combustion extrêmement rapides, mais aussi extrêmement lents, et d'utiliser des turbo-compresseurs plus petits que ceux employés jusqu'à présent, et, de plus, de renoncer complètement à un compresseur auxiliaire entraîné 35 mécaniquement. 69 45650 2068767 RE VEHEICAIIOHS 1, Procédé pour la suralimentation d'un moteur à combustion interne par impulsions, dans lequel les ondes de pression de pré-échappement d'au moins cinq cylindres de tra-5 vail alimentent l'entrée d'une machine de suralimentation, et dans lequel les orifices des canalisations de gaz brûlés sont pourvus d'ajutages, caractérisé en ce qu'au moins une onde de pression de pré-échappement est décomposée pendant une période de permutation de gaz en une onde de pression principale et au 10 moins une onde de pression secondaire, et en ce que l'onde de pression principale et l'onde de pression secondaire sont modulées de telle sorte que ne soit pas dépasses, dans la canalisation de gaz brûlés du cylindre en cours de balayage, une contre pression admissible. 15 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant 1* revendication 1 caractérisé en ce que les a-jutages des canalisations de gaz brûlés débouchent dans un dispositif de modulation qui, dans le sens de l'écoulement, va à un diffuseur, lequel est raccordé à l'entrée de la machine de sura-20 limentation» 3. Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé par un tube de renversement fermé à une extrémité, destiné à la modulation de l'onde de pression secondaire, et muni à l'autre extrémité d'un ajutage débouchant dans le dispositif 25 de modulation, la longueur du tube de renversement étant au moins égale au quotient du triple de la vitesse du son des gaz brûlés par le nombre de tours nominal du moteur à combustion® 4« Dispositif suivant les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les ajutages des conduites de gaz 30 brûlés et éventuellement d'un tube de renversement sont groupés dans une jonction, la surface de section du diffuseur étant au moins égale à la différence entre 2,5 fois la surface de section à l'endroit le plus étroit d'un ajutage de conduite de gaz brûlés et la demi-somme des surfaces de section à l'endroit le plus 35 étroit de l'ensemble des ajutages restants® 5. Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce que, dans les moteurs à combustion lents, le volume du tube de renversement atteint deux fois le volume de la cylindrée d'un cylindre de travail du moteur à combustion#