Brevet FR2362275A1 — publié le 19780317

La prdsente invention concerne un procédé de suralimentation d double étage, par turbo-compresseurs, pour moteurs Diesel L'invention vise également les moteurs Diesel suralimentés comportant application de ce procédé. On sait que les performances des moteurs Diesel suralimentés par turbo-compresseurs sont limités par la quantité d'air introduite dans les cylindres du moteur, la pression d'air fournie par les compresseurs étant généralement limitée b 4 bars absolus. Les moteurs Diesel les plus modernes comportent donc deux étages de compression en série. On peut ainsi, théoriquement, atteindre un rapport de pression de 16. En gdndral, il est prévu un refroidissement intermédiaire de l'air. Les turbines associées è ces compresseurs sont montées également en série, ctest-i-Fire que la première turbine, dans le sens de l'écoulement des gaz, ou turbine de étage haute-pression (HP), est alimentée directement par les gaz d'échappement recueillis N la sortie des cylindres du moteur, tandis que la deuxième turbine dans le sens de l'écoulement des gaz, ou turbine de étage basse-pression (BP), est alimentée en série par les gaz délivrés b la sortie de la première turbine. la deuxième turbine est ainsi alimentée k pression quasi constante tandis que la première turbine, placée immédiatement k la sortie des cylindres, est, elle, alimentée : - soit par les bouffées de gaz à chaque période d'dchappement, - soit k la pression quasi constante si le volume de tuyauterie avant turbine est suffisant. La pression d'air délivrée par les turbo-compressenrs est k peu près proportionnelle k la puissance fournie par le moteur et dans certaines zones de fonctionnement, la quantité d'air délivrée est insuffisante. C'est le cas par exemple pour la propulsion d'un navire aux vitesses moteur inférieures k 50 70 % de la vitesse iaaximale, ou pour un groupe dlectrogène lorsque la puissance délivrée est faible par rapport à la puissanve nominale. Ceci est tout particulièrement vrai lorsque le système à pression constante décrit plus haut est adopté : l'énergie cinétique des gaz d'échappement n'étant pas récupérée, l'énergie disponible pour la compression de l'air est plues faible. La présente invention a pour but de réaliser un système de suralimentation à double étage qui permet d'avoir une forte pression d'air aux faibles paissances, tout en limitant la pression k la valeur nécessaire et suffisante à la charge nominale. L'invention a pour objet un procédé de suralimentation à double étage, par turbo-compresseurs, du type dans lequel la turbine de l'étage HP est alimentée par les gaz d'échappement recueillis à la sortie du collecteur d'échappement du moteur, le procédé étant caractérisé en ce que la turbine de l'étage BP est alimentée au moins partiellement en parallèle avec la turbine de l'étage HP par les gaz d'échappement recueillis à la sortie du collecteur d'échappement du moteur. Suivant une forme préférée de mise en oeuvre du procédé, la répartition du débit de gaz entre les deux turbines est réglable. Suivant la forme la plus simple de mise en oeuvre du procédé, la turbine de l'étage BP est alimentée uniquement par les gaz d'échappement recueillis à la sortie du moteur, c'est-à-dire que les deux turbines des deux turbo-compresseurs sont reliées en parallèle (et non plus en série), chacune recevant directement les gaz d'échappement des cylindres du moteur. Suivant une autre forme de mise en oeavre du procédé la turbine de l'étage BP est alimentée en partie en parallèle par les gaz d'échappement du moteur et en partie en série par les gaz provenant de la sortie de la turbine de l'étage HP. Ca réalise ainsi une alimentation série/parallèle de la turbine BP. L'invention a également pour objet un moteur Diesel surali menté selon le procédé ci-dessus et, plus précisément, un moteur Diesel qui comporte une liaison fluidique directe entre le collecteur d'échappement du moteur et l'entrée de la turbine de l'étage BF, pour assurer l'alimentation en parallèle des deux turbines. L'invention sera mieux comprise k la lecture de la description détaillée qui suit et k l'examen des dessins annexés qui représentent k titre d'exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation de l'invention. La fig. 1 est un schéma d'un moteur Diesel à suralimentation classique b double étage. La fig. 2 est un sohéma d'un moteur Diesel à suralimentation b double étage suivant l'invention. la fig. 3 est un schéma d'une autre forme d'exécution de l'invention. La fig. 4 est un schéma illustrant l'application de l'invention à un moteur Diesel avec chambre de combustion auxiliaire. Les figs. 5 et 6 montrent deux variantes d'un système de suralimentation suivant l'invention, avec alimentation en série/ parallèle de la turbine de -1' étage BP. Dans le système classique de suralimentation k double étage représenté sur la fig. 1, un moteur Diesel 2 comporte des cylindres 4, une tubulure 6 d'arrivée d'air et un collecteur de gaz d'échappement 8. la suralimentation est assurée par deux turbo-compresseurs 10-12 montés en série. Le turbo-compresseur BP comprend un compresseur 14 et une turbine 16 accouplées par un arbre 18. Le turbo-compressear HP comprend un compresseur 20 et une turbine 22 accouplés par WL arbre 24. Le compresseur BP 14 aspire l'air atmosphérique 26 et refoule, par un conduit 28, l'air ayant subi une première compression vers l'entrée 29 du compresseur 20. La sortie du compresseur 20 est reliée par un conduit 30 k la tubulure 6 d'arrivée d'air de suralimentation du moteur. En général, un ou deux étages réfrigérants d'air 32-32' sont prévus sur le circuit d'air de suralimentation. La turbine 22 de l'étage HP est alimentée directement par les gaz d'échappement du moteur, par l'intermédiaire d'une cana libation 34. La turbine 16 de l'étage BP est alimentée en série par rapport k la turbine de l'étage HP 22, c'est-à-dire que les gaz recueillis à la sortie de la turbine 22 sont acheminés, par une canalisation 36, k l'entrée de la turbine 16. La fig. 2 illustre le procédé de suralimentation suivant l'intention. Les mimes organes portent les mêmes chiffres de référence que sur la fig. 1. Les compresseurs BP 14 et HP 20 sont montés en série comme dans le cas de la fig. 1, mais la turbine de l'étage BP 16, au lieu d'être alimentée en série par rapport k la turbine de l'étage HP 22, est alimente en parallèle. A partir de la canalisation 34, recevant directement les gaz d'échappement du moteur, deux canalisations en parallèle 36-38 alimentent respectivement la turbine 22 de l'étage HP et la turbine 16 de l'étage BP. Les deux turbines des deux turbo-compresseurs sont ainsi reliées en parallèle et chacune reçoit directement les gas d'échappement des cylindres du moteur. Ub organe de rdgulation, représenté schématiquement sur la. fig. 2 par une vanne 40, peut être disposé à l'embranchement des déux canalisations 36-38 pour permettre de répartir le débit de gaz entre les deux turbines 16 et 22. Cet organe de - régulation peut être une vanne papillon, une soupape, une vanne k boisseau ou tout autre organe distributeur de type classique. De préférence, la vanne 40 est commandée automatiquement par un système classique d'asservissement 42 réagissant en fonction d'un ou plusieurs paramètres déterminés tels que la position du régulateur du moteur, la pression d'air de suralimentation, la pression ou la température des gaz d'échappement. Dans la variante représentée sur la fig. 3, l'organe de régulation 40' est monté sur une seale des deux branches en parallèle 36-38 alimentant les turbines 22-16. Dans l'exemple de la fig. 3, la vanne 40' est montée sur la branche 38 alimentant la turbine 16 de l'étage BP. Grâce à omette disposition, l'un des turbo-compresseurs (12) est toujours aliment, tandis que le second (10) ne l'est que lorsque la puissance du moteur est supérieure k une certaine valeur, variable suivant le type et l'utilisation du moteur. Le système de suralimentation à double étage peut être utilisé avec ou sans les réfrigérants d'air d'alimentation 32-32' représentés sur la fig. 2, quelle que soit la disposition des collecteurs d'échappement (bouffée, "pulse converter", multistosg pression constante, ou autres dispositions connues) et quel que soit le taux de compression du moteur. Cependant, ce système de suralimentation est particulièrement adapté aux moteurs dits "b bas taux de compression". Enfin, comme il est représenté sur la fig. 4, le système suivant l'invention peut s'appliquer aux moteurs Comportant ainsi qu'il est connu, une chambre de combustion auxiliaire ou brflleur 44 sur les conduits d'air ou de gaz. Dans le cas représenté sur la fig. 4, l'air secondaire k réchauffer dans le bradeur 44 est prélevé, au moyen d'un conduit 46 sur la tubulure 6 d'arrivée d'air de suralimentation au moteur 2. L'air réchauffé dans le brftleur est renvoyé, par un conduit 48, dans les gaz d'échappement pour entratner les turbines 22 et 16. Le brtleur 44 est alimenté en combustible par une tubulure 50 et un organe de réglage de l'air secondaire 52 peut être prévu sur le conduit 46. Sur la fig. 4, l'alimentation des deux turbines 22 et 16 en parallèle est identique à celle qui a été décrite k propos de la fig. 2. Enfin, l'invention s'applique également aux moteurs Diesel comportant, ainsi qu'il est connu, un by-pass sur le conduit d'air du moteur. La variante de l'invention représentée sur la fig.-5 est analogue à celle de la fig. 3 en ce que deux branches en parallèle 36-38 alimentent respectivement en gaz d'échappement les turbines 22 et 16, une vanne de réglage 40' étant interposée sur la branche 38. Mais, en plus de cette liaison en parallèle, on établit, au moyen d'une conduite 54, une liaison entre la sortie de la turbine 22 de l'étage HP et l'entrée de la turbine 16 de l'étage BP, ctest-i-dire une liaison en série entre ces deux turbines. Dans ces condition , la turbine 16 est alimentée partiellement en parallèle (par la conduite 38) et partiellement en série (par la conduite 54) par rapport à la turbine 22. On peut dire qu'on réalise ainsi un montage sdrie/parallèle dés deux turbines, la vanne 40', de préférence à réglage automatique, permettant de répartir les débits de gaz d'échappement qui alimentent directement les turbines 16 et 22. Grtce à cette disposition, le distributeur de la turbine HP peut être choisi suffisamment petit, de façon à être bien adapté au moteur pour les faibles puissances. Le compresseur associé délivre alors le maximum d'air. Aux puissances élevés, la vanne 40' s'ouvre 'rdgulation automatique) évitant ainsi un surrégime au turbo-compresseur HP. Dans la forme de réalisation de la fig, 5, la liaison sdrie, par la conduite 54, existe toujours, si bien qu'il 'est pas possible d'alimenter la turbine 16 seulement en parallèle (comme dans le cas des figs. 2, 3, 4). Dans la forme de réalisation représentée sur la fig. 6, on prévoit, sur la canalisation en série 54, une vanne réglable 56 permettant de régler le débit de gaz en provenance de la sortie de la turbine 22 vers l'entrée de la turbine 16. Grâce à cette disposition, les deux turbines peuvent-être alimentdes purement en parallèle, avec répartition des débits de gaz vers les deux turbines (vanne 56 fermée - vanne 40' plus ou moins ouverte); ou bien en série/parallèle (vannes 56 et 40' ouvertes); ou, éventuellement uniquement, en série (vanne 56 ouverte - vanne 40' fermée). Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans qu'on s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention. REVENDICATI0N5 1 - Procédé de suralimentation à double étage, par turbocompresseurs, pour moteur Diesel, dans lequel la turbine de l'étage H.P. est alimentée par les gaz recueillis b la sortie du collecteur d'échappement dudit moteur, ledit procédé étant caractérisé en ce que la turbine de l'étage B.P est alimentée au moins partiellement en parallèle avec la turbine de l'étage H.P. par lesdits gaz d'échappement recueillis à la sortie du collecteur d'échappement. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine B.P est alimentée uniquement par des gaz d'échap pement recueillis k la sortie du collecteur d'échappemeat. 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine B.? est alimentée en partie en parallèle par les gaz d'échappement recueillis k la sortie du collecteur d'échappement et en partie en série par les gaz recueillis k la sortie de la turbine H.P. 4 - Procédé suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le débit de gaz d'échappement vers l'entrée de la turbine B.P. est réglable. 5 - Procédé suivant l'une des revendications-2 ou 3, carac- térisé en ce que la répartition des débits des gaz d'échappement vers l'entrée des deux turbines est réglable. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que le débit des gaz acheminés en provenance de la sortie de la turbine E.P. vers l'entrée de la turbine B.P. est réglable. 7 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que les réglages des débits précités sont effectués automatiquement en fonction de paramètres déterminés tels que la position du régulateur du moteur, la pression dcair de suralimentation, la pression des gaz d'échappement, la température des gaz d'échappement. 8 - Moteur Diesel à suralimentation double étage, caractérisé en ce que la suralimentation est assurée par la mise en oeuvre d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9 - Moteur Diesel W suralimentation par turbo-compresseur k double étage, caractérisé en ce qu'il comporte une liaison fluidique directe entre le collecteur d'échappement dudit moteur et l'entrée de la turbine de l'étage B.P, grâce k quoi les deux turbines des-turbo-compresseurs sont alimentées en parallèle par les gaz d'échappement du moteur. 10 - Moteur Diesel suivant la revendication 9, caractérisd en ce qu'une vanne de rigolage de débit de gaz est interposée sur la liaison fluidique précitée. 11 - Moteur Diesel suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'unie vanne répartitrice de débit est interposée à l'embranchement des deux conduites en parallèle acheminant les gaz d'échappement vers la turbine de l'étage H.P et vers la turbine de l'étage B.P. 12 - Moteur Diesel suivant l'une des revendications 9, 10 ou 11 qui comprend, en plus, une liaison fluidique en série entre la sortie de la turbine de l'étage H.P et l'entrée de la turbine de l'étage B.P. 13 - Moteur Diesel suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'unie vanne de réglage de débit est interposée sur la liaison fluidique en série précitée. 14 - Moteur Diesel suivant l'une quelconque des revendications 10, 11 ou 13, caractérisé en ce que les vannes précitées sont des vannes asservies à 1'WL des paramètres de fonctionne- ment dudit moteur.