Brevet FR2396869A1 — publié le 19790202

La présente invention concerne l'amélioration du fonctionnement des moteurs thermiques et, en particulier, l'amélioration des démarrages et des reprises de charge des moteurs thermiques suralimentés. On sait que, dans la période de démarrage ou lors d'une demande de puissance importante, sur un moteur Diesel suralimen té par compresseur, on commande aux pompes dtinjection, généra- lement par l'intermédiaire du régulateur prévu sur un moteur, de fournir une injection de combustible accrue pour compenser cet appel de puissance. Pour que la puissance correspondante soit effectivement fournie, il faut adjoindre à cette quantité de combustible accrue une quantité d'air suffisante. Or, dans la période de démarrage, le compresseur, par exemple un turbo-compresseur, tourne relativement lentement et n'est pas capable d'accélérer suffisamment vite pour fournir la quantité d'air supplémentaire nécessaire a' la bonne combustion du volume de combustible injecté. De meme, au moment d'un appel de puissance importante, le moteur commence par ralentir, bien que le régulateur du moteur essaie de compenser cette chute de vitesse par un apport de combustible. Ce ralentissement réduit la quantité d'air fourni par le compresseur si bien que, tant que la vitesse normale ota pas été reprise, la quantité d'air est insuffisante pour correspondre au volume de combustible injecté. Divers inconvénients résultent de ce type de fonctionnement pendant ces périodes transitoires et, notamment, mauvaise combustion provoquant des émissions de fumée, gaspillage de combustible, chute de vitesse relativement importante sur appel de puissance, temps de rétablissement de la vitesse relativement long, etc.. L'invention a pour but de remédier à ces divers inconvénients. L'invention a pour objet un procédé pour améliorer le fonctionnement des moteurs thermiques, notamment des moteurs Diesel suralimentés, au cours des périodes où l'alimentation en combustible du moteur est augmentée, par 'exemple au cours des reprises de charge et lors du démarrage, ce procédé consistant a' disposer d'une réservé d'air sous pression et à introduire sélectivement, pendant lesdites périodes, de l'air supplémentaire sous pression, prélevé sur ladite réserve, en l'un au moins de certains points déterminés du circuit de gaz du moteur, pour augmenter temporairement le volume d'air d'alimentation dudit moteur. De préférence, l'air supplémentaire est introduit, au moment voulu et pendant un temps bien défini, en l'un des points du circuit d'alimentation en air du moteur, par exemple les collecteurs d'air d'alimentation, les cylindres et/ou le compresseur. Dans les deux premiers cas, l'air supplémentaire agit comme comburant; dans le troisième cas, où l'introduction est faite dans le compresseur, l'air supplémentaire agit a d'abord par son énergie cinétique sur le compresseur pour l'accélérer, puis participe ensuite a la combustion os les cylindres. l'introduction d'air supplémentaire peut également, dans le cas d'un moteur avec turbo-compresseur alimenté par les gaz d'échappement, être introduit dans le circuit des gaz d'échappement et, plus précisément, dans la turbine du turbo-compresseur, pour accélérer cette turbine. Dans ce cas, ltair supplémentaire n'agit directement que par son énergie cinétique, mais, indirectement, il provoque une augmentation de la quantité d'air fournie par le compresseur au moteur, ce qui est le but recherché. Suivant l'invention, la réserve d'air supplémentaire peut être constituée par une ou des bouteilles d'air comprimé, avec un système associé convenable de recharge en air, et l'introduction sélective d'air supplémentaire prélevé sur la réserve précitée est commandée automatiquement en fonction de l'un des paramètres de fonctionnement du moteur ou de la charge entrai- née par ledit moteur. L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description détaillée qui suit et a l'examen des dessins annexés qui représentent, a titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention. Sur ces dessins La figure 1 est une vue schématique d'un moteur Diesel suralimenté par turbo-compresseur et équipé d'un dispositif suivant l'invention pour l'introduction d'air supplémentaire, prélevé sur une réserve, en certains points déterminés du moteur. La figure 2 montre schématiquement l'application de l'in- vention à un groupe électrogène moteur-alternateur. La figure 3 montre le branchement des vannes d'admission d'air supplémentaire sur une boîte de régulation recueillant les signaux de plusieurs capteurs. Le moteur a été simplement représenté par ses constituants essentiels classiques : un cylindre 2; la culasse 4; l'ensemble piston-bielle-villebrequin 6; les collecteurs d'admission d'air 8 et d'échappement 10; le turbo-compresseur 12 avec sa turbine 14, dont l'entrée 16 est raccordée au collecteur d'échappement 10 par une conduite 18 et avec son compresseur 20 dont la sortie 22 est raccordée au collecteur d'admission 8 par une conduite 24; la pompe d'injection 26 avec sa crémaillère 28; l'injecteur de combustible 30 qui est relié a' la pompe 26 par une tubulure 32. Suivant l'invention, on dispose d'une réserve d'air sous pression constituée par exemple par une ou plusieurs bouteilles d'air comprimé 34, rechargée en air comprimé, sous une pression déterminée par un dispositif de recharge classique 36 entrainé par le moteur. Si le moteur, ou des organes récepteurs attelés au moteur comportent déjà un circuit d'air comprimé (par exemple système de lancement du moteur à 11 air comprimé) on peut bien entendu utiliser la réserve d'air existante. Dans le cas d'un moteur fixe, on peut également utiliser une distribution d'air comprimé existante. Suivant l'invention, la bouteille est reliée par un ou plusieurs conduits 381 , 382 , 383, 384 à un ou plusieurs de certains points déterminés du moteur, avec interposition, sur chacun de ces conduits, d'une vanne de commande 49 , 402, 4 3 X 404 d'admission d'air supplémentaire. On a fait figurer sur le dessin plusieurs de ces conduits (quatre),pour illustrer plusieurs des modes de réalisation de l'invention, mais il est bien entendu qu'il sera en général suffisant de pratiquer l'introduction d'air supplémentaire en un seul des points du circuit de gaz du moteur, choisi en fonction de l'utilisation du moteur. Le conduit 381 débouche, par l'intermédiaire d'une tubulure 421 directement dans le ou les collecteurs d'air 8 du moteur. La vanne d'admission d'air supplémentaire 404 (de même que les vannes 402, 4031 404 ) est une vanne commandée a commande élec trique, mécanique, hydraulique ou pneumatique. Une ou plusieurs détections mécaniques, électriques ou élec troniques transmettent un signal d'ouverture a la vanne et déterminent donc le moment et la durée de l'injection d'air supplémentaire. Ces détections peuvent être effectuées en fonc tion de certains paramètres de fonctionnement du groupe moteur, paramètres qui sont choisis suivant l'utilisation du groupe et qui sont mesurés par un ou plusieurs capteurs. C'est ainsi qu'on peut utiliser le capteur 44l sensible a la pression d'air dans le collecteur d'admission, un capteur 442 mesurant la vitesse du turbo-compresseur, un capteur 443 sensi 3 ble a la position de la crémaillère 28 de la pompe d'injection, un capteur 444 pour la vitesse de rotation du moteur, un cap teur 445 sensible a la position du régulateur du moteur (voir fig. 2) Dans le cas illustré schématiquement par la fig. 2, où un moteur Diesel 46 entraîne un alternateur 48, on peut utiliser, comme paramètres servant à la détection, des paramètres liés a l'alternateur.C'est ainsi qu'on peut utiliser un capteur 446 sensible au couple, ou bien un capteur 447 sensible a l'une des grandeurs électriques telles que la puissance (W), l'intensité (I), la tension (U). Bien entendu, on peut utiliser un ou plusieurs capteurs pour engendrer un signal de commande d'ouverture de la ou des vannes. Ainsi qutil est classique, on choisit un ou plusieurs paramètres pilotes et on affiche un seuil de consigne. Un écart autour de cette valeur de consigne commande ou annule l'alimentation en air supplémentaire. Dans le cas qui a été décrit ci-dessus, où l'admission d'air supplémentaire est faite, par l'intermédiaire de la tubulure 421 directement dans le;collecteur d'admission d'air 8 du moteur, l'air supplémentaire introduit en provenance de la réserve d'air 34 agit uniquement comme comburant, pendant les période de démarrage ou de reprise de charge. Dans une des variantes représentée sur la fig. 1, la canalisation 382, sur laquelle est interposée la vanne 402, amène l'air supplémentaire, par l'intermédiaire d'un ou plusieurs ajutages ou gicleurs 422, dans le compresseur 20 du groupe turbo compresseur 12. Dans ce cas, l'air supplémentaire admis contribue à accélérer la rotation du groupe turbo compresseur et parvient ensuite au collecteur d'admission 8 puis au cylindre où il-participe à la combustion. On voit que, dans ces conditions, l'air agit donc de deux façons: d'abord par son énergie cinétique et ensuite comme comburant. Dans une autre variante représentée sur la figure 1, la canalisation 383, sur laquelle est interposée la vanne 403, amène l'air supplémentaire en provenance de la réserve d'air YI-, à la turbine 14 du groupe turbo-compresseur, par l'intermédiaire de buses 423 convenablement disposées. Dans ce cas, l'air supplé- mentaire agit seulement par son énergie cinétique pour accélérer le groupe turbo compresseur et, par conséquent, pour contribuer à fournir une quantité d'air accrue au moteur dans les périodes de démarrage ou de reprise de charge. Enfin, selon la quatrième variante représentée sur la figure 1 la canalisation 384 peut amener l'air supplémentaire directement dans la chambre de combustion 50 des cylindres du moteur par un conduit d'admission à soupape 424 . Dans ce cas, il est nécessaire de prévoir, sur la canalisation 384, un distributeur d'air supplémentaire 52 -entrainé par l'arbre 54 du moteur. Ce distributeur envoie tour à tour l'air supplémentaire vers tous les cylindres du moteur par l'intermédiaire des canalisations 384 , 38'4 , 38 et 38"'4 . Bien entendu, selon cette variante, ltair supplémentaire introduit directement dans les cylindres agit seulement comme comburant. Dans le cas où le moteur est équipé d'un système de lancement à l'air comprimé, on peut combiner l'injection directe d'air supplémentaire dans les cylindres, selon cette dernière variante, avec la soupape de ce système de lancement. Lorsqu'on utilise à la fois plusieurs des modes d'injection d'air supplémentaire et, par conséquent, plusieurs vannes de commande telles que 401 , lu02' 4 3 4Q4 , ainsi que plusieurs capteurs tels que 441 .... 447 , on peut, comme il est schémati quement représenté sur la fig. 3, ramener toutes les canalisations ou conducteurs reliant les capteurs aux vannes sur une boite de régulation unique où sont réunis les moyens de réglage des valeurs de consigne choisies. On va donner maintenant deux exemples de réalisation de l'invention. 1) Amélioration des reprises de charge sur un groupe électro gène La vitesse nominale étant fixe, on choisit le paramètre vitesse du groupe comme détection (capteur 444 ). L'admission d'air supplémentaire est faite dans le collecteur d'admission (tubulure 42l) et dans le compresseur du turbo-compresseur (ajutage 422) Lorsque la demande de puissance est très importante, le régulateur essaie de compenser celle-ci par un apport de combustible; mais si le comburant n'est pas suffisant, la vitesse du moteur chute et, par conséquent, la fréquence de ltalternateur. A partir d'un seuil déterminé, par exemple 5 tours/minute pour 1500 t/m, le capteur 444 commande l'ouverture des vannes 401 et 40? et l'air supplémentaire est admis dans le collecteur d'admis sion et dans le turbo-compresseur. Le retour du moteur à sa vitesse nominale interrompt automatiquement l'introduction d'air supplémentaire. On a constaté que, grâce à l'invention, le gain, tant en chute de vitesse qu'en temps de rétablissement était de l'ordre de 2. C'est ainsi que, sur un appel de puissance de valeur donnée, un groupe électrogène classique présentait une chute de vitesse de 12/o bt demandait 8 secondes pour rétablir sa vitesse. Sur le même appel de puissance, le même groupe élec trogène, mais équipé suivant l'invention ne présentait qu'unie chute de vitesse de 6 % et le temps de rétablissement était de 4 secondes. 2) Amélioration du démarrage et des reprises de charge pour moteur ou groupe n'ayant pas une vitesse fixe Pour ce type de fonctionnement, il est préférable d'utiliser deux détections. a) détection de lavitesse du turbo-compresseur, au démarrage (capteur 442) b) détection de la course de crémaillère pour les reprises de charge (capteur 443) t et d'utiliser deux modes dtinjection d'air supplémentaire a) dans le compresseur du turbo-compresseur seul, au démarrage (tubulure 422) b) dans les collecteurs (tubulure 421) et dans le turbocompresseur pour les reprises de charge, la commande de démarrage du groupe arme le dispositif, par exemple elle met en service la boîte de régulation de la fig. 3. La détection d'un manque de vitesse sur le turbo-compresseur verrouille l'injection d'air supplémentaire dans le collecteur d'admission et inhibe la détection de course de crémaillère, mais admet de l'air côté compresseur pour accélérer celui-ci. Pour une vitesse définie du turbo-compresseur, l'injection d'air supplémentaire dans le turbo-compresseur s'effectue et la détection course de crémaillère devient prioritaire. Si la demande de puissance est trop importante, la crémaillère va en butée et l'injection d'air se produit. Le retour à une puissance normale de fonctionnement, avec course de crémaillère correcte, interrompt l'injection d'air supplémentaire. L'invention trouve également une application intéressante dans le cas des moteurs marins qui, au cours des manoeuvres de port, sont soumis à des reprises de charge importantes et répétées. On peut encore indiquer que toute réserve d'air comprimé, ou toute distribution d'air comprimé peut être utilisée suivant l'invention, les pressions les plus favorables de l'air dans la réserve étant d'environ 20 a 30 bars. Dans le cas de pressions supérieures, on peut bien entendu, utiliser un détendeur. On peut encore indiquer que, suivant le type de fonctionne -ment du moteur, une réserve d'air ayant un volume d'environ l à 3 fois la cylindrée du moteur est suffisante pour assurer les injections d'air supplémentaire temporaires au démarrage et aux reprises de charge. REVENDICATIONS l) Procéde pour améliorer le fonctionnement des moteurs thermiques, notamment des moteurs Diesel suralimentés, au cours des périodes où l'alimentation en combustible du moteur est augmentée, par exemple au cours des reprises de charge et lors du démarrage, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à disposer d'une réserve d'air sous pression et à introduire sélectivement, pendant lesdites périodes, de l'ait supplémentaire sous pression, prélevé sur ladite réserve, ou l'un au moins de certains points déterminés du circuit de gaz du moteur, pour augmenter temporairement le volume d'air d'alimentation dudit moteur. 2 ) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'air supplémentaire est introduit dans le circuit d'alimentation en air du moteur. 3) Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'air supplémentaire est introduit dans le collecteur d'alimentation en air du moteur. 4) Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'air supplémentaire est introduit directement dans les cylindres du moteur. 5) Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, pour moteur Diesel suralimenté par compresseur, caractérisé en ce que l'air supplémentaire est introduit dans le compresseur. 6) Procédé suivant la revendication 1, pour moteur Diesel suralimenté par turbó-compresseur dont la turbine est alimentée par les gaz d'échappement du moteur, caractérisé en ce que l'air supplémentaire est introduit dans le circuit des gaz d'échappement du moteur. 7) Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'air supplémentaire est introduit dans la turbine du groupe turbocompresseur pour accélérer ledit groupe et, partant, augmenter, pendant les périodes précitées, le volume d'air fourni au moteur par le groupe turbo-compresseur de suralimentation. 8 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'introduction sélective d'air supplémentaire prélevé sur la réserve précitée est commandée automatiquement en fonction de l'unes paramètres de fonctionnement du moteur ou de la charge entrainée par ledit moteur. 9) Moteur thermique, notamment noteur Diesel suralimenté, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens dtintroduction sélective d'air supplémentaire sous pression en l'un au moins de certains points du circuit de gaz dudit moteur, pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications l a 8, ledit air supplémentaire étant prélevé sur une réserve d'air sous pression lo) Moteur thermique suivant la revendicatdioaor92 caractérisé en ce qu'il comprend : au moins une bouteille/comprimé; des moyens de recharge à une pression déterminée de ladite bouteille; au moins un conduit d'air reliant ladite bouteille à l'un au moins de certains-points du circuit de gaz dudit moteur; une vanne normalement fermée interposée sur ledit conduit; et des moyens de commande d'ouverture temporaire de ladite vanne, lesdits moyens agissant en réponse à l'un au moins des parametres de fonctionnement dudit moteur. 11) Moteur thermique suivant l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que la réserve d'air précitée renferme de l'air sous une pression comprise entre 20 et 30 bars. 12) Moteur thermique suivant l'une des revendications 9, 10 ou 11, caractérisé en ce que le volume de la réserve d'air sous pression est de l'ordre de 1 à 3 fois la cylindrée dudit moteur. 13) Moteur thermique suivant l'une des revendications 10, ll ou 12, caractérisé en ce que les moyens de commande d'ouverture temporaires de la vanne précitée agissent en réponse à l'un au moins des paramètres de fonctionnement faisant partie du groupe renfermant la vitesse du moteur, la vitesse du turbo-compresseur, la position de la crémaillère d'injection de combustible, la position du régulateur, la pression d'air d'alimentation, la puissance fournie par le moteur, le couple du moteur. 14) Moteur thermique suivant l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que l'introduction sélective d'air supplémentaire est effectuée simultanément en plusieurs points du circuit de gaz du moteur. 15) Moteur thermique suivant l'une des revendications 9 à 14, équipé d'un système de démarrage à'l'air comprimé comportant une soupape de lancement, caractérisé en ce que l'introduction d'air supplémentaire est faite directement dans les cylindres du moteur; en ce que le conduit d'air supplémentaire est raccordé à la soupape de lancement de chaque cylindre.