Brevet FR2479330A1 — publié le 19811002

Moteur à combustion interne suralimenté par turbo-compresseur. La présente invention concerne les moteurs à combustion interne comprenant plusieurs chambres de combus- tion, par la sui1-e dénommées cylindres, à volume variable, suralimentés par au moins un groupe turbo-compresseur recevant les yaz d'échappement du moteur1 par l'intermédiaire d'un système de commutation capable de modifier le trajet des gaz d'échappement vers le groupe. L'intérêt d'un tel système de commutation apparait lorsqu'on étudie les problèmes d'adaptation d'un turbocompresseur de suralimentation au moteur et les caractéristiques des différents systèmes d'échappement. En se limitant tout d'abord au cas des moteurs comportant un seul groupe de suralimentation, on peut répartir les systèmes d'échappement envisagés à ce jour en trois types. lo) Les systèmes d'échappement par ondes de pression : le moteur est équipé de plusieurs collecteurs d'échappement pour une meme rangée de cylindres. Ces collecteurs sont reliés à plusieurs entrées de turbine du groupe. Les pertes d'énergie au cours du transport des gaz des cylindres à la turbine sont ainsi réduites au minimum et le balayage des cylindres s'effectue dans de bonnes conditions, ce qui est particulièrement intéressant aux faibles charges du moteur. En contrepartie, le rendament de la turbine baisse en même temps que l'alimentation de celle-ci, du fait que les gaz d'échappement parviennent à la turbine par bouffées. 20) Les systèmes d'échappement à pression constante: le moteur est alors équipé d'un collecteur unique pour la rangée de cylindres ou pour tous les cylindres. Le rendement d'utilisation d'énergie dans la turbine est optimum. Mais en contrepartie, il y a perte importante d'énergie au cours du transport des gaz, perte de l'effet cinétique et balayage défectueux aux charges partielles et faibles. 30) Les systèmes d'échappement à convertisseur d'impulsions : le moteur est alors équipé de plusieurs collecteur s qui débouchent par des éjecteurs dans un tube mélangeur relié à ltentree de la turbine. Ce système, qui constitue un compromis entre les deux précédents, assure un balayage des cylindres meilleur que les systèmes d'échappement à pression constante, mais qui reste défectueux aux faibles charges. On a déjà proposé de disposer sur l'échappement une vanne ou un volet qui dans une position autorise le mélange des gaz provenant des différents groupés de cylindres et dans l'autre l'interdit. On peut ainsi fonctionner en bouffées aux faibles charges et avec conversion d'impulsions aux charges élevées. Mais la température élevée des gaz d'échappement réduit de façon excessive la durée de vie de l'organe mécanique. La présente invention vise à fournir un moteur suralinenté du genre ci-dessus défini comportant un système de commutation fiable et de longue durée de vie, en particulier du fait qu'il ne comporte aucune pièce mobile portée à haute température. L'invention vise également à fournir un moteur suralimenté par turbo-compresseur apportant' une solution au- problème de l'adaptation correcte du turbo-compresseur à tous les régimes de fonctionnement. On sait qu'on donne en général à la section de passage des gaz d'échappement dans le distributeur et la turbine de façon à obtenir un fonctionnement optimum à puissance nominale. Mais, lorsque la puissance fournie par le moteur diminue, notamment par suite d'une baisse de régime, la vitesse de la turbine et le rapport de pression qu'elle neut fouriiir diminuent de façon corrélative. Les conséquences en sont particulièrement graves lorsqu'on doit faire fonctionner le moteur sur une caractéristique à couple constant et vitesse- variable ou une caractéristique à couple croissant lorsque le régime du moteur diminue (cas d'un moteur de véhicule terrestre notamment).Elles peuvent môme etre gênantes dans le cas de moteurs très hautement suralimentés devant fonctionner suivant une loi d'hélice ou similaire (couple croissant en fonction de la vitesse). Dans le cas des moteurs diesel, cette baisse de la vitesse du groupe turbo-compresseur se traduit par un manque d'air à bas régime et corrélativement des températures de pièces excessives ou une opacification des gaz d'échappement. Pcur échapper à ces difficultés, on a proposé d'adapter la section du distributeur de la turbine à un fonctionnement à régime inférieur au régime nominal mais dans ce cas le fonctionnement à puissance nominale ou bien entraine une pression de combustion inadmissible, ou bien exige de placer une soupape de décharge, dite aussi "waste gate", en amont de la turbine pour libérer de l'énergie à l'atmosphère au-delà d'une certaine valeur de la pression de suralimentation. La présente invention vise également à écarter cette difficulté par modification effective ou virtuelle de la section de passage des gaz d'échappement dans le distributeur d'entrée de la turbine. Dans ce but, l'invention propose notamment un moteur du genre ci-dessus défini dans lequel le système de commutation utilise, comme organe de déviation des gaz d'échappement, un jet d'air à température inférieure à celle des gaz d'échappement et de débit plus faible que celui des gaz d'échappement. Cette disposition peut être réalisée de façon simple lorsque la turbine comporte plusieurs entrées alimentant chacune une portion du distributeur. Le système de commutation peut alors etre constitué par une culotte à plusieurs sorties reliées chacune à une entrée du distributeur et à une ou plusieurs entrées reliées chacune au collecteur associé à l'un des groupes de cylindres du moteur. Il suffit dans ce cas de munir le corps de la culotte d'un ajutage d'air relié à un conduit d'alimentation muni de moyens permettant de réaliser un jet sous une pression supérieure à celle des gaz d'échappement. Ce jet peut être prévu soit pour interdire 1 'entrée des gaz d'échappement dans au moins 1 'une des sorties, ce qui se traduit par une diminution de la section d'entrée des gaz dans la turbine, soit pour créer une cloison virtuelle entre les différents écoulements d'une entrée de la culotte à une sortie, ce qui se traduit par un passage d'un fonctionnement en conversion d'impulsions à un fonctionnement à bouffées. On a par ailleurs constaté que la séparation des écoulements a le même effet qu'une diminution effective de la section d'entrée dans la turbine. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres, surali- menté par un groupe turbo-compresseur, muni d'un système de commutation associé à une turbine dont le distributeur comporte deux entrées, - les figures 2 et 3 montrent deux constitutions possibles du système de commutation de la figure 1, - les figures 4, 5 et 6, similaires à la figure 1-, montrent des variantes de réalisation. - la figure 7 est un schéma montrant une constitution possible du système de commutation. La figure 1 est un schéma de principe montrant un moteur 10, qu'on supposera être un moteur diesel à quatre temps, comportant deux groupes de trois cylindres, surali menté par un turbo-compresseur 11. Le compresseur 12 du groupe 11 alimente un collecteur d'admission 13. La tur bine 14 du groupe 11 comporte un distributeur fractionné en plusieurs portions munies chacune d'une entrée. La turbine représentée à titre d'exemple en figure 1 est du type centripète et à deux entrées 15 et 16. Dans la pratique, la volute d'entrée d'une telle turbine aura souvent deux entrées alimentant chacune une ouverture annu laire calibrée. On pourrait aussi bién avoir une turbine axiale à plu sieurs entrées alimentant ehacune une fraction angulaire de l'anneau distributeur. La turbine 14 reçoit les gaz d'echappement du moteur 10, provenant du collecteur 17, par l'intermédiaire d'un système de cormru- tation 18. Selon l'invention, ce système de commutation uti lise comme organe déviateur un jet d'air. Dans le cas de la figure 1, ce jet est obtenu à partir d'une alimentation comprenant un réservoir d'air comprimé 19 alimenté par un compresseur 20 entraîné par le moteur 10. Sur la con duite 20 qui relie le réservoir 19 au système de commu tation 18, sont interposées successivement une vanne d'isolement 21 et une vanne de commande 22, qui sera généralement du type tout ou rien.La vanne 22 pourra être une électrovanne commandée par un circuit 23 en fonction d'un signal représentatif du régime au moteur ou d'un autre paramètre de fonctionnement de celui-ci : par exemple, le circuit 23 peut être commandé par un capteur 24 de la pression de sortie du compresseur 12, comme indiqué sur la figure 1. Le système de commutation 18 peut notamment avoir une des deux constitutions montrées. en figures; 2 et 3. Dans les deux cas, le système comprend une culotte en plusieurs pièces assemblées, munie d'un nombre d'entrées égal à celui des collecteurs d'échappement du moteur 10. Dans le mode de réalisation illustré, deux entrées 26 et 27 sont prévues. L'entrée 26 sera par exemple reliée au collecteur des cylindres 1 à 3, l'entrée 27 au collecteur des cylindres 4 à 6. La culotte comporte deux sorties 28 et 29 respectivement reliées aux entrées 15 et 16 de la turbine, disposées de façon à recevoir les bouffées de gaz d'échappement provenant respectivement des entrées 26 et 27. La pièce médiane 30 de la culotte est prévue pour qu'on puisse obturer une ou plusieurs admissions a la turbine. Pour cela, sa paroi est percée d'une ouverture 31 de faible développement angulaire, située approximativement au col. Cette ouverture,qui peut être constituée par une fente ou une série de trous, est reliée par un convergent progressif à la conduite d'alimentation 20 munie de la vanne 22. Le circuit 23 est prévu pour fermer cette vanne lorsque le régime du moteur dépasse un seuil détermine. - Dans ce cas, il y a alimentation des deux entrées de turbine. Au contraire, lorsque la vanne 22 est ouverte, un jet d'air pénètre dans la culotte et oriente tous les gaz d'échappement vers la sortie 29, ce qui est équivalent à une obturation de la sortie 28. Des essais effectués sur un moteur dont la puissance nominale est atteinte à 2500 t/mn avec une pression moyenne effective de 9,5 bars, on a obtenu les résultats suivants I R P.m.e. Rapport Tbmpérature alimentation (t/fln) (bars) de pression d'échwement ~~~~~~~~~~~~~~~ 2.500 9,~5 2,3 5160 C ) totale 1.500 10,7 1,7 5800 C 1.500 10,7 2,1 5500 C une entrée sur 2 L'indice de fumée à 1.500 t/mn passait de 2,5 à 1,0 des la conmutaticn de l'alimentation totale à l'alimentation par une entrée sur deux. Le système de commutation montré en figure 3 - où les organes correspondant à ceux de la figure 2 sont désignés par le meme nuréro de référence - est destiné à constituer un cloisonnement virtuel entre les écoulements de gaz d' échappement jusqu' aux entrées de la turbine et ainsi à augmenter le rapport de pression à bas régime, par passage du fonctionnement en conversion d'impulsions au fonctionnement à bouffées. Le système 18 comporte encore une culotte à deux sorties 28 et 29 et deux entrées 26 et 27. La pièce intermédiaire 30 est cette fois approximativement rectangulaire. I1 peut comporter une amorce de cloison 30 a. La conduite 20 débouche dans la pièce médiane 30 par un canal 32 placé entre les entrées 26 et 27. Ce canal est prévu pour diriger un jet d'air parallèlement au sens de circulation des gaz d'échappement dans la partie 30. Le circuit 23 est dans ce cas prévu pour ouvrir la vanne 22 aux faibles régimes du moteur. Le jet d'air fourni par l'ouverture 32 constitue alors un véritable cloisonnement virtuel entre les deux écoulements allant chacun d'une entrée 26 ou 27 vers la sortie correspondante 28 ou 29. Ce cloisonnement s'est révélé équivalent à une diminution de la section équivalente d'entrée dans la turbine. Lorsqu'il existe, à bas régime du moteur, le fonctionnement intervient par ondes de pression lorsque le jet est supprimé, il y a fonctionnement avec mélange et échange des quantités de mouvement des gaz provenant de tous les cylindres. A titre de simple indication, on peut mentionnaer qu'en général il suffit d'une surpression de 0,3 bars envi ron de l'air par rapport à la pointe de pression des gaz d'échappement dans la pièce intermédiaire 30 pour réaliser une déviation convenable. Le jet d'air, dont le débit pour ra souvent être inférieur au dixième de celui des gaz d'é chappement, pénètre alors à une vitesse qui dépasse 200 m/ sec. Dans certains cas, on peut cependant avoir avantage à ajouter un débit d'air important pour accélérer la turbine de façon plus énergique. La variante de réalisation de l'invention montrée en figure 4 se différencie essentiellement de la figure 1 par le mode d'alimentation du jet d'air. Dans le cas de la figure 4 ce jet d'air est prélevé sur le refoulement du compresseur 12. On pourra souvent se dispenser de tout circuit particulier de commande en interposant sur la conduite 33 d'alimentation du jet une vanne 34 à fonctionnement automatique, fournissant une perte de charge qui augmente avec la pression de suralimentation. Cette vanne peut constituer une vanne automatique tendant à éviter le pompage ou coopérer avec une telle vanne. Elle doit etre prévue de façon que la pression appliquée à l'ouverture 31 ou 32 (figures 2 et 3) soit telle que le jet d'air pénétrant dans la pièce médiane 30 exerce l'effet de déviation requis uniquement au régime correspondant du moteur. On peut éventuellement adapter la soufflante pour qu'à puissance et régime nominaux on n'ait pratiquement pas de différence de pression entre admission et échappement, la chute de pression ,p étant sur la courbe de pleine charge nominale aux régimes intermédiaires, où l'on cherche (pour un véhicule par exemple) à obtenir une "bosse" de couple. Dans ce cas il n'est plus nécessaire de prévoir une vanne 23 : il suffit d'un diaphragme de limitation de débit qui peut même disparaitre si la section d'injection dans la pièce 30 en fait office. Une soupape de décharge peut alors être prévue sur la sortie du compresseur pour limiter la pression de suralimentation. Le mode de réalisation de la figure 5 comporte deux groupes turbo-compresseurs 35 et 36 disposés en parallèle suivant une disposition dite "en registre". Dans ce cas, le système de commutation 18 peut être prévu de façon à couper l'alimentation de la turbine du groupe 36 aux bas régimes (cas d'un système du genre montré en figure 2) ou passer d'un échappement à mélange des gaz à un échappement par bouffées à basse puissance (dans le cas où le système de commutation est du genre montré en figure 3). Dans le premier cas, un clapet anti-retour 37 doit évidemment être placé sur le refoulement du compresseur du groupe 36 dans le cas de la figure 2. Enfin, sur la figure 6, deux groupes turbo compresseurs 38 et 39 sont montés en cascade. Le systè me commutateur 18 est placé entre l'échappement de la turbine du groupe haute pression 39 et les entrées de la turbine du groupe basse pression 38. Cette solution présente un intérêt particulier du fait que le jet d'air du distributeur peut être alimenté à partir du refoule ment du compresseur du groupe haute pression 39, par l'intermédiaire d'une vanne de commande 41. Cette dernière peut être actionnée par un système du genre montré en figure 1. Le système de commutation indIqué e figure 1 peut par exemple avoir la constitution montrée en fi gure 7, où les éléments déjà représentés portent le me me numéro de référence. La vanne 22 est constituée par un clapet relié à un piston 32 soumis aux actions anta gonistes d'un ressort 33 et de la pression d'huile dans une chambre -34. Cette pression est créée par une pompe 35 entraînée par le moteur et dont le débit est donc fonction croissante du régime. Le circuit de retour de cette pompe 35 comporte, en parallèle, un étranglement fixe 36 et un étranglement variable 37, délimité par un cône solidaire de la crémaillère 38 de la pompe à injec tion du moteur. On obtient ainsi une pression d'huile dans la chambre 34 qui est fonction à la fois du régime et de la charge du moteur. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à plusieurs chambres de combustion suralimenté par au moins un groupe turbocompresseur recevant les gaz d'échappement du moteur par l'intermédiaire d'un système de commutation capable de modifier le trajet des gaz d'échappement vers le groupe, caractérisé en ce que ledit dispositif de commutation utilisé, comme organe de déviation des gaz d'échappement, un jet d'air à température inférieure à celle des gaz d'échappement et de débit plus faible que celui des gaz a 'échappement. 2. Moteur suivant la revendication 1 dans lequel la turbine comporte un distributeur fractionné en plusieurs parties alimentées chacune par une entrée distincte, caractérisé en ce que le système de commutation comporte une culotte à plusieurs sorties reliées chacune à une entrée du distributeur et en ce que le corps de la culotte est muni d'un ajutage d'arrivée d'air relié à une conduite d'amenée munie de moyens permettant d'amener à l'ajutage de l'air sous une pression supérieure à celle des gaz d'échappement, typiquement supérieure d'au moins 0, 3 bars à la pointe de pression des gaz d'échappement. 3. Moteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce q-ue ledit ajutage est placé de façon à diriger un jet transversal au sens d'ecoulement des gaz d'échappement de façon à diriger la totalité des gaz d'échappement vers une fraction seulement des sorties lorsque l'ajutage est alimenté. 4. Moteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la culotte comporte plusieurs entrées reliées chacune à un groupe de cylindres du moteur et en ce que l'ajutage est placé de façon à diriger un jet longitudinal de séparation virtuelle entre des écoulements allant chacun d'une entrée vers une sortie de la culotte. 5. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux groupes turbo-compresseurs montés en parallèle et en ce que le système de commutation est prévu pour diriger la totalité des gaz d'échappement vers la turbine d'un seul des groupes lorsque le jet d'air est alimenté. 6. Moteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit système de commande comprend un ajutage relié en permanence à la sortie du compresseur par l'intermédiaire d'une soupape donnant une perte de charge qui augmente avec la pression de sortie du eompresseur.ou d'un diaphragme. 7. Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le système de commutation comporte un ajutage alimenté en air par une réserve d'air comprimé renouvelée par un compresseur attelé au moteur, par l'intermédiaire d'une vanne commandée automa tiquement en fonction d'un paramètre de fonctionnement du moteur. 8. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un groupe turbo-compresseur haute pression et un groupe turbo-compresseur basse pression montés en cascade, la turbine basse pression comportant un distributeur fractionné en plusieurs portions alimentées chacune par une entrée distincte, en ce que le système de commutation comprend une culotte à plusieurs sorties reliées chacune à une entrée du distributeur et une seule entrée reliée à la sortie de la turbine haute pression, et en ce que le corps de la culotte est muni d'un ajutage de formation du jet d'air alimenté depuis la sortie du compresseur du groupe haute pression par l'interne médiaire d'une vanne de commande en fonction de la puissance fournie par le moteur.