Brevet FR2495689A1 — publié le 19820611

L'invention est.relative aux moteurs à combustion interne, de préférence aux moteurs Diesel, qui sont suralimentés par un groupe turbocompresseur comprenant au moins un compresseur et au moins une turbine entraînant ce compresseur et qui sont équipés d'un échangeur de chaleur de refroidissement, en particulier d'un radiateur à ventilation forcée, sur le circuit d'air reliant le compresseur à l'admission du moteur. Lorsque le moteur fonctionne à puissance élevée, on sait que l'air sortant du compresseur doit être refroidi avant de pénétrer dans le moteur. L'échangeur de refroidissement fonctionne de façon satisfaisante lorsque la charge et la vitesse du moteur ne sont pas soumises à des variations brusques. Soit par exemple un moteur de 1000 chevaux à 2000 tours/minute ayant une cylindrée de 27 litres et fonctionnant dans les conditions suivantes - air moteur : 1,5 kg/s à 3 bars (absolus) - air ambiant : 0 C - température de l'air à la sortie du compresseur : 200 C - température de l'air à l'entrée du moteur : 600 C. Le rendement thermométrique du radiateur est alors 200 - 60 m = = 0,70. Ith 200 ~ o Supposons que le moteur soit déchargé et ramené à faible vitesse, par exemple pour effectuer un changement de rapport de la boite de vitesses accouplée à l'arbre de sortie du moteur. La vitesse du groupe turbocompresseur tombe et le rapport de pression du compresseur tend vers 1. De ce fait, le débit massique de l'air aspiré par le moteur diminue à la fois - à cause de la réduction de vitesse du moteur, par exemple de 2000 à 500 tours/minute, - et à cause de la chute du rapport de pression de 3 à 1. Dans ce cas, le débit massique de l'air traversant le moteur est réduit dans un rapport de 1 à 12 et devient 500 1,5 kg/s x 1/3 x = 0,125 kg/s. 2000 Comme il ressort de la figure o ont été portés en abscisse le débit d'air de suralientation @ en kg/s et en ordonnée le rendement t,ermométricue m th du radiateur, ce rendement thermométrique tend vers Si dans ces conditions, le moteur étant déchargé brusquement, la ventilation du radiateur continue de fonctionner du fait de son inertie, ce qui est le cas par exemple si le ventilateur est entraîné soit par le moteur suralimenté, par l'intermédiaire d'une transmission hydrostatique, soit par un moteur électrique (même après coupure du courant d'alimentation), la température de l'air de suralimentation devient alors pratiquement égale à la température ambiante. Dans l'exemple cité, le moteur va aspirer de l'air froid, à 0 C. A la reprise(enclenchement du nouveau rapport de la boîte de vitesses),le moteur va caler ou tout au moins avoir un fonctionnement désordonné en envoyant à l'échappe- ment une grande quantité d'imbrûlés (fumée blanche). En d'autres termes, le moteur n'a plus de reprise et est fortement polluant. L'invention a pour objet un moteur à combustion interne, de préférence un moteur Diesel, qui est suralimenté par un groupe turbocompresseur comprenant au moins un compresseur et au moins une turbine entraînant ce compresseur et qui est équipé d'une part d'un échangeur de refroidissement sur le circuit d'air reliant la sortie du compresseur à l'admission du moteur et d'autre part d'un récupérateur à circuit d'air et à circuit de gaz, lequel circuit de gaz communique en amont avec la sortie de la turbine et en aval avec l'atmosphère. Un tel moteur est décrit par exemple dans le brevet britannique 433.630. Afin de remédier aux susdits inconvénients, le moteur conforme à l'invention est essentiellement caractérisé en ce que ltéchangeur de chaleur de refroidissement a son circuit d'air disposé en parallèle avec le circuit d'air du récupérateur et en ce que des moyens distributeurs, di sposés à la ,onction des deux circuits d'air, sont agencés pour ouvrir le circuit d'air du récupérateur tout en fermant le circuit d'air de l'échangeur de refroidissement et inversement. Ainsi qu'il sera expliqué plus en détail ciaprès, un tel moteur remédie bien aux inconvénients de l'art antérieur. De préférence, les moyens distributeurs sont actionnés par une commande sensible à la température de l'air dans le collecteur d'admission du moteur et agencée pour mettre ces moyens distributeurs en position de fermeture du circuit d'air du récupérateur dès que la température de l'air dans ce collecteur d'admission dépasse un seuil de température donné. En variante ou en supplément, les moyens distributeurs peuvent ëtre actionnés par une commande sensible à la pression de suralimentation et agencée pour mettre ces moyens distributeurs en position d'ouverture du circuit d'air du récupérateur dès que la pression de suralimentation tombe au-dessous d'un seuil de pression donné. Selon une construction avantageuse, les moyens distributeurs sont constitués par deux organes obturateurs qui sont interposés respectivement sur le circuit d'air du récupérateur et sur celui de l'échangeur de refroidissement et qui sont conjugués de façon que l'un s'ouvre lorsque l'autre se ferme et inversement. Enfin, lorsque le groupe turbocompresseur est à plusieurs étages, le circuit de gaz du récupérateur est géné- ralement interposé entre la sortie de la turbine haute pression du groupe turbocompresseur et l'entrée de la turbine basse pression de ce groupe. L'invention va être maintenant décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés. La figure 1, qui a été commentée ci-dessus, illustre les inconvénients de monteurs connus. 2 La figure/représente le schéma de principe d'un moteur conforme à l'invention. La figure 3 représente une variante d'une partie du moteur de la figure 2. La figure 4 représente schématiquement un m@- teur conforme à un mode de réalisation plus élaboré de l'invention. La figure 2 représente un moteur Diesel 1, par exemple à quatre cylindres 2, qui est suralimenté par groupe turbocompresseur 3 comprenant un compresseur une turbine 5 entraînant ce compresseur 4. ;e compresseur 4 est muni d'un conduit d'aspiration d'air 6 et-d'un conduit de refoulement d'air 7. Le moteur 1 possède un collecteur d'admission 8, auquel est reiié le conduit de refoulement 7 d'une manière qui sera précisée ci-après, et un collecteur d'échappement 9 qui aboutit à l'entrée ce la turbine 5. Le moteur 1 est équipé d'une part d'un échan- geur de refroidissement 10 sur le circuit d'air reliant le conduit de refoulement 7 du compresseur 4 au collecteur d'admission 8 du moteur I et d'autre part d'un récupérateur Il à circuit d'air 12 et à circuit de gaz 13. Ce circuit de gaz communique, en amont, avec la sortie de la turbine 5 et, en aval, avec l'atmosphère. Comme on le sait, un récupérateur est un échangeur de chaleur destiné à prélever des calories sur les gaz d'échappement d'un moteur et à les restituer à l'air ou au mélange carburé qui est admis au moteur. Conformément à l'invention, l'échangeur de cha- leur de refroidissement 10 est constitué par un radiateur dont le circuit d'air 14 est disposé en parallèle avec circuit d'air 12 du récupérateur 11 et un organe di-stribu- teur 15, disposé à la jonction 16 des deux circuits d'air 14, 12, est agencé pour ouvrir le circuit d'air 12 du récupérateur Il tout en fermant le circuit d'air 14 du radiateur 10 et,inversement,pour fermer le circuit d'air 12 du récupérateur Il tout en ouvrant le circuit d'air 14 du radiateur 10. En d'autres termes, le conduit de refoulement 7 du compresseur h est divisé en deux branches 12 e 14 qui constituent respectivement le circuit d'air du récupérateur Il et le circuit d'air du radiateur 10 et qui se rejoignent en 16, en aval des échangeurs 10 et 11, en un conduit commun 17, lequel aboutit au collecteur d'admission 8. De préférence, le radiateur 10 est à ventilation forcée grâce à la présence d'au moins un ventilateur 18, entraîné de la façon indiquée ci-dessus. Le courant d'air créé par ce ventilateur 18 a été schématisé à la figure 2 par des flèches parallèles. L'organe distributeur 15, qui a été schématisé par un volet à la figure 2, évolue entre deux positions extrêmes - une première position (pour laquelle le volet 15 se placerait horizontalement à la figure 2) qui est la position normale : le circuit d'air 12 du récupérateur Il est obturé tandis que le circuit d'air 14 du radiateur 10 est ouvert et - une deuxième position (pour laquelle le volet 15 se placerait verticalement) qui est la position de réchauffe de l'air admis au moteur 1 : le circuit d'air 12 du récupérateur Il est ouvert tandis que le circuit d'air 14 du radiateur 10 est fermé. Comme le montre schématiquement la figure 2, l'organe distributeur 15 peut occuper des positions intermédiaires entre ces deux positions extrêmes. Bien que l'organe distributeur 15 puisse être actionné manuellement par exemple à l'aide d'un levier 27, il est préférable de le soumettre à une commande automatique 19 (figure 4) sensible à au moins un paramètre représentatif de la charge du moteur 1, de tels paramètres étant notamment les suivants - pression de suralimentation .; - température d'admission du moteur - débit du combustible introduit dans les cylindres 2 du moteur 1 (évalué par exemple par la position de la crémaillère de la pompe d'injection alimentant ce moteur 1). En plus du paramètre représentatif de la charge du moteur 1, on peut faire intervenir, sur la position de l'organe distributeur 15, la température ambiante et éventuellement la température du liquide de refroidissement du moteur. Comme représenté schématiquement à la figure 4, la commande automatique 19 peut comprendre un vérin preumatique 20 à cylindre fixe 21 et à piston mobile 22. Sur l'une de ses faces, le piston 22 est soumis à la pression de l'air de suralimentation qui lui-est transmise par un conduit 23. Le piston 22 est également soumis à l'action d'un ressort de rappel 24, cette action étant réglée par exemple à l'aide de cales de tarage 25 d'épaisseurs variables. Par l'intermédiaire de sa tige 26, le piston 22 est accouplé à un levier 28, analogue au levier 27 de la figure 2. Une telle commande 19, rendue sensible à la charge du moteur 1 par l'intermédiaire de la pression de suralimentation, peut suffire mais il paraît néanmoins préférable de moduler son action en foction de la température d'admission du moteur. A cet effet, on fait agir sur la tige 26 du piston 22 du vérin pneumatique 20 un deuxième piston 29 qui, avec un cylindre fixe 30, constitue un vérin hydrau- lique 31. Une pompe hydraulique 32 alimente, à travers un ajutage fixe ou gicleur 33, le cylindre 30 du vérin 31. Pour détecter la température d'admission, on fait débiter la pompe 32 en parallèle sur un orifice de fuite 34 dont la section libre est réglée par un pointeau 35 ; la tige 36 non dilatable de ce pointeau 35 est reliée à un manchon dilatable 37 qui plonge dans le collecteur d'admission 8. Plus la température régnant dans ce collecter augmente, plus la section libre de l'orifice 34 s'agrandit et par conséquent plus la pression s'exerçant sur le piston 29 diminue. La température de seuil est ajustable grâce au regiage (par exemple avec des cales) de la distance séparant le pointeau 35 du siège de l'orifice 34, à une température de référence. Une telle commande 19 fonctionne de la manière suivante En marche normale, la pression de suralimentation transmise sur le piston 22 est suffisante pour vaincre la résistance du ressort 24 et le volet 15 occupe sa position normale (horizontale à la figure 4). Le radiateur 10 fonctionne normalement en coopération avec le ventilateur 18. Le récupérateur Il est traversé par les gaz chauds s'échappant de la turbine 5 : la masse métallique du récupérateur 11 est portée par exemple à 400O C. En marche à basse puissance (bas régime et/ou basse charge) et ce d'autant plus que la température ambiante (ou éventuellement la température du liquide de refroidissement du moteur 1) est plus basse, la pression de suralimentation transmise sur le piston 22 décroit et -le volet 15 occupe alors soit la deuxième position extrême (verticale à la figure 4), soit une position intermédiaire telle que celle qui est représentée à titre d'exemple à la figure 4. Grâce à cette disposition, on peut améliorer le fonctionnement du moteur 1 à basse puissance - soit en régime transitoire (lors d'un changement de rapport de la boite de vitesses, par exemple) : l'organe distributeur 15 occupe sa deuxième position extrême et la masse chauàe du récupérateur ll réchauffe l'air admis au moteur : le défaut exposé ci-dessus disparaît complètement - soit en régime stationnaire (fonctionnement à vide prolongé d'un générateur électrique entraîné par le moteur 1, fonctionnement en régime de croisière d'un navire dont la ou les hélices sont entraînées par ce moteur, etc...) l'organe distributeur 15 occupe une position intermédiaire et, par mélange entre les débits partiels d'air dans les circuits 12 et 14, maintient dans le collecteur d'admission 8 une température acceptable, notamment pour l'auto-allumage lorsqu'il s'agit d'un moteur Diesel. La commande 19 représentée à la figure 4 a une action double, pneumatique (vérin 20) et thermostatique (vérin 31). Dès que la pression de suralimentation tombe au-dessous d'un certain seuil de pression (de l'ordre de 1,1 bar absolu par exemple, réglable à l'aide des cales 25), le ressort 24 force le volet 15 à sa deuxième position extrême (verticale). Grâce au détecteur thermostatique à manchon 37, la pression dans le vérin hydraulique 31 s'établit dès que la température dans le collecteur d'admission tombe au-dessous d'un seuil de température donné (40 C par exemple). Au-dessus de ce seuil, la pression hydraulique s'exerçant sur le piston 29 toe å zéro ; le vérin pneumatique 20 est seul en action. Au-dessous de ce seuil, la pression hydraulique croît à mesure que la terpérature diminue , ce qui ouvre d'autant plus la sortie dair du récupérateur Il et augmente la température de l'air d'ad- mission. Selon une première variante, on peut combiner à la commande 19 tout système ou asservissement (hydrauli- que, mécanique, électrique ou électronique) faisant intervenir l'un au moins des paramètres cités plus haut. Selon une deuxième variante, on peut constituer les moyens distributeurs conformes à l'invention non pas par un volet unique 15 (figures2 et 4), mais par tous autres moyens équivalents, en particulier par deux volets (papillons ou autres), reliés directement ou indirectement à une même commande telle que 19. C'est ainsi que, selon la variante représentée schématiquement à la figure 3, le volet unique 15 des figures 2 et 4 est remplacé par deux volets 15a, 15b qui sont placés respectivement entre l'entrée du circuit d'air du radiateur 10 et celle d circuit du récupérateur Il et entre la sortie du circuit d'air du radiateur 10 et celle du circuit d'air du récupéateur 11.Ces deux volets 15a et 15b sont conjugués, par exer-M,- par une tringlerie 38, de façon que l'un deux s'ouvre lorsque l'autre se ferme. Une commande analogue à celle 19 de la figure 4 agit sur cette tringlerie 38. Le racla- teur air/air 10 et le récupérateur air/gaz 11 sont dIspo- sés côte à côte, ce qui rend la construction plus compacte et facilite leurs liaisons avec le conduit de refoulement 7 et le conduit commun =7. Une telle variante autorise des réglages indépendants pour les deux volets 15a, 15D, avec notamment une pcssibilité de déphasages entre leurs mouvements respectifs. Bien que lt-invention ait été décrite dans le cas d'un moteur Diesel 1, à forte PME (pression moyenne effective) ou non (de préférence à rapport volumétrique réduit), il peut tout aussi bIen s'agir d'un moteur à allumage commandé. - En outre, l'invention s'applique au cas où un conduit de dérivation, munI ou non d'une chambre de con- bustion auxiliaire, réunit la sortie du compresseur 4 l'entrée de la turbine 5 en contournant le moteur 1. Dans ce cas, un tel conduit de dérivation partirait d'un endroit du circuit d'air 12 du récupérateur 11 situé entre l'aval de ce récupérateur 11 et la jonction 16 et aboutirait, de façon connue, 8 l'entrée de la turbine 5 (figures 2 et 4). De même, bien que le groupe turbocompresseur 3 ait été représenté comme n'ayant qu'un seul étage, il peut s'agir d'un groupe à plusieurs étages. Dans ce cas, le circuit de gaz 13 du récupérateur est interposé entre la sortie de la turbine haute pression du groupe turbocompres- seur et l'entrée de la turbine basse pression de ce groupe. Enfin , il a été supposé que l'échangeur de refroidissement 10 de l'air de suralimentation était constitué par un radiateur, de préférence à ventilation forcée. Cependant, il serait possible d'utiliser, pour refroidir l'air de suralimentation, un échangeur de chaleur 10 utilisant un fluide caloporteur autre que de l'air, par exemple de l'eau. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne, de préférence moteur Diesel, qui est suralimenté par un groupe turbocompresseur comprenant au moins un compresseur et au moins une turbine entrafnant ce compresseur et -u es équipé d'une part d'un échangeur de refroidissement sur le circuit d'air reliant la sortie du compresseur à l'admission du moteur et d'autre part d'un récupérateur à circuit d'air et = circuit de gaz, lequel circuit de gaz communique en amont avec la sortie de la turbine et en aval avec l'atmosphère, caractérIsé en ce que l'échangeur de chaleur de refroidissement a son circuit d'air disposé en parallèle avec le circuit c'air du récupérateur et en ce que des moyens distributeurs, disposés à la jonction des deux circuits d'air, sont agences pour ouvrir ie circuit d'air du récupérateur tout en fermant le circuit d'air de l'échangeur de chaleur de refroidissement et inversement. 2. Moteur à combustion interne selon ia revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur de refroidis- sement est un radiateur air/air, de préférence à ventilation forcée. 3. Moteur à combustion interne selon lune des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens distributeurs sont actionnés par une commande sensible à la température de l'air dans le collecteur d'admission du moteur et agence pour mettre ces moyens distributeurs en position de fer- mettre du circuit d'air du récupérateur dès que la ter--pérature de l'air -dans ce collecteur d'admIssIon dépasse un seuil de température donné. 4. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens distributeurs sont actionnés par une commande sensible à la pression de suralimentation et agencée pour mettre ces moyens distributeurs en position d'ouverture du circuit d'air du récupérateur dès que la pression de suralimenta- tion tombe au-dessous d'un seuil de pression donné. . Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens distributeurs sont constitués par deux organes obturateurs qui sont interposés respectivement sur le circuit d'air du récupérateur et sur celui de l'échangeur de chaleur de refroidissement et qui sont conjugués de façon que l'un s'ouvre lorsque l'autre se ferme et inversement. 6. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dont le groupe turbocompresseur est à plusieurs étages, caractérisé en ce que le circuit de gaz du récupérateur est interposé entre la sortie de la turbine haute pression du groupe turbocompresseur et l'entrée de la turbine basse pression de ce groupe.