Brevet FR2533264A1 — publié le 19840323

La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne à suralimentation ; elle vise, plus particulièrement, des moteurs équipés d'un dispositif de suralimentation qui augmente rapidement l'admission d'air dès que la charge du moteur augmente brusquement, afin d'empêcher la chute de vitesse de rotation du moteur. Généralement, la différence entre les admissions d'air pour le fonctionnement à vide et le fonctionnement à charge maximale avec le moteur équipé d'un dispositif de suralimentation est'plus grande que dans le cas d'un moteur à aspiration naturelle. Le moteur à suralimentation présente en outre un retard dans l'introduction d'air, dû à une réaction lente du dispositif de suralimentation. La combustion incomplète résultante provoque une chute momentanée de la vitesse de rotation du moteur ou même, dans le pire des cas, la vitesse du moteur ne peut pas être rétablie à la valeur requise et il se forme davantage de fumée d'échappement, ce qui pollue l'atmosphère. En particulier, pour les moteurs entraînant des générateurs, une diminution excessive de la vitesse de rotation du moteur provoque une chute de tension en dehors des limites de la régulation automatique de tension, ou un déclenchement des relais de protection. La présente invention a pour objet un moteur à combustion interne muni d'un dispositif de suralimentation qui peut augmenter rapidement l'admission d'air lorsque la charge augmente brusquement, ce qui évite la chute de la vitesse de rotation du moteur. L'invention a également pour objet d'éviter la poussée et la surcharge qui pourraient affecter la soufflante de suralimentation lors de l'augmentation de l'admission d'air. L'invention vise encore un moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de suralimentation qui peut éviter l'émission de fumée lorsque la charge augmente brusque ment. Le moteur à combustion interne suivant la présente invention, équipé d'un dispositif de suralimentation, comprend : des moyens d'alimentation en air principal, pour injecter de l'air sous forte pression, raccordés au collecteur d'admission ; des moyens d'alimentation en air se condaire, pour injecter de l'air sous forte pression, raccordés à l'entrée de la soufflante de suralimentation ; et des électro-vannes, prévues dans des conduits respectifs reliés aux moyens d'alimentation en air principal et secon daire, pour ouvrir et fermer automatiquement les conduits en fonction d'une variation de charge. Avec la présente invention, le fonctionnement automatique d'ouverture et fermeture des électro-vannes en fonction d'une variation de charge du moteur à combustion in-terne permet une alimentation rapide en air à haute pression venant des moyens d'alimentation en air principal, dans le collecteur d'admission, sans retard et en même temps compense le manque d'air instantané par l'air à haute pression fourni par les moyens d'alimentation en air secondaire prévus à l'entrée de la soufflante de suralimentation. L'alimentation supplémentaire en air à haute pression produit un accroissement des gaz d'échappement, ce qui provoque une augmentation rapide de la vitesse de rotation du dispositif de suralimentation. La vitesse de rotation plus élevée de ce dispositif accroît rapidement l'admission d'air extérieur, ce qui évite un manque d'alimentation en air à la suite de la variation de charge.Ainsi, la chute de la vitesse de rotation du moteur pendant la variation de charge peut être évitée, ce qui procure une plus grande fiabilité du moteur à combustion interne utilisé comme groupe générateur. De plus, l'alimentation simultanée d'air à haute pression dans le collecteur d'admission et à l'entrée du dispositif de suralimentation évite l'à-coup résultant d'une augmentation brusque de la contre-pression de la soufflante. La présente invention évite également la poussée qui est exercée sur la soufflante lorsque la totalité de l'air nécessaire est soufflé sous pression à l'entrée de la soufflante. En outre, l'invention permet d'éviter complètement l'émission de fumée lorsque la charge sur le moteur augmente brusquement. D'autres objets et avantages de -l'invention apparaitront aux hommes de l'art à la lecture de ses formes de réalisation, non limitatives, représentées sur les dessins annexés. Fig. 1 est une vue en plan schematique, avec coupe partielle, d'un moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de suralimentation suivant l'invention Fig. 2 est une vue de côté, avec coupe partielle, d'une autre forme de réalisation de l'invention; Fig. 3 est une vue de côté, avec coupe partielle, d'un équipement d'entraînement forcé Fig. 4 est un graphique illustrant la relation entre la vitesse de rotation du moteur, le déplacement de la crémaillère et la pression de suralimentation,- en fonction du temps Fig. 5 est une vue en plan, avec coupe partielle, d'une autre forme de réalisation de l'invention avec un dispositif de suralimentation ; Fig. 6 est une vue en plan, avec coupe partielle, d'une autre forme de réalisation de l'invention comportant un dispositif de suralimentation ; et Fig. 7 est un diagramme illustrant les caractéristiques de fonctionnement du moteur à combustion interne suivant l'invention. Comme indiqué ci-dessus, la figure 1 est une vue en plan, avec coupe partielle, du moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de suralimentation, dans une première forme de réalisation de l'invention. Comme repré senté, les gaz d'échappement évacués dans le collecteur d'échappement 2 traversent un conduit d'échappement 17 et arrivent à la turbine 4 du dispositif de suralimentation 3 qui est entraînée par les gaz d'échappement. Une soufflante 5 est accouplée rigidement à la turbine 4 par un arbre 11, de sorte qu'elle tourne avec la turbine d'échappement 4. Pendant sa rotation, la soufflante ou compresseur centrifuge 5 refoule l'air de la volute 14 vers l'extérieur à travers un conduit d'admission 15 et le collecteur d'admission 6, dans la chambre de combustion, non représentée, du moteur 1.Un réfrigérant d'air 16 est prévu dans le conduit d'admission 15 pour refroidir l'air à haute pression qui traverse ce conduit. Le vilbrequin du moteur 1 est accouplé à l'arbre de rotation d'un générateut 20 par un joint 18, de sorte que le générateur produit de l'électricité lorsque le moteur 20 fonctionne. L'électricité produite est envoyée à un récepteur 24.En fonction de la variation de charge de ce récepteur, un régulateur 21-commande le fonctionnement d'électro-vannes 22 et 23. Le collecteur d'admission 6 est muni d'une buse 13 d'injection d'air principal, qui constitue un exemple de réalisation des moyens d'alimentation en air principal et qui est reliée à un réservoir d'air 7 par une tuyauterie 12. Le réservoir d'air 7 est rempli d'air par un compresseur 8. A l'entrée de la soufflante 5 est prévue une buse 9 d'injection d'air secondaire, qui est un exemple de réalisation des moyens d'alimentation en air secondaire et qui communique avec le réservoir d'air 7 par une canalisation 10. Les électro-vannes 22 et 23 sont placées sur les canalisations 10 et 12, respectivement. Ces électro-vannes sont commandées par le régulateur 21 qui est programmé pour que, lors de la détection d'une brusque variation de charge, il ouvre les électro-vannes 22 et 23 pendant-un laps de temps prédéterminé. Lorsque la quantité d'air injectée par la buse 9 d'injection d'air secondaire est trop petite, un àcoup se produit sur la soufflante 5, de sorte que la quantité d'air fournie par la buse 9 d'injection secondaire est réglée à 30 à 50% ou plus de la quantité totale d'air injecté. Ce réglage est effectué par modification du rapport des sections orifice des buses d'injection d'air principal et secondaire. Le fonctionnement du moteur à combustion interne, représenté sur la figure 1, est décrit ci-après. Comme- in- diqué plus haut, lorsque le moteur à combustion interne démarre, le générateur 20 commence à fournir de l'électricité et l'énergie engendrée est envoyée au récepteur 24 par des câbles 19. Si une variation quelconque se produit dans la charge du récepteur 24, elle est immédiatement détectée par le régulateur 21 qui ouvre alors les électro-vannes 22 et 23 pendant un laps de temps prédéterminé en fonction du programme.Lorsque les électro-vannes 22 et 23 sont ouvertes, l'air à haute pression stocké dans le réservoir d'air 7 peut s'écouler par la canalisation 12 et la buse 13 d'injection dtair principal et pénétrer dans le collecteur d'admission 6, d'où il est ensuite envoyé dans la chambre de combustion du moteur. En même temps, l'air à haute pression passe également dans la canalisation 10 et sort par la buse 9 d'injection d'air secondaire. L'air à haute pression injecté par la buse 9 augmente la pression à l'entrée de la soufflante et celle-ci est accélérée lorsque cet air la traverse. L'air à haute pression est ensuite dirigé par le conduit d'admission 15 vers le collecteur d'admission 6, où il se combine avec l'air à haute pression fourni par la buse 13 avant d'être envoyé dans la chambre de còmbustion. Cette alimentation en air à haute pression supprime un manque d'air 'momentané lors de la variation de charge, ce qui évite une chute de la vitesse de rotation du moteur 1. En outre, l'apparition d'un à-coup résultant d'une augmentation brusque de la contre-pression de la soufflante 5 peut être évitée, puisque l'air à haute pression est envoyé simultanément au collecteur d'admission 6 et à 1' entrée de la soufflante de suralimentation 5. D'autre part, la construction ci-dessus protège également la soufflante de la poussée qu'elle devrait subir si l'air à haute pression était dirigé contre la soufflante 5. Cette construction évite aussi l'émission de fumée qui serait produite comme conséquence d'une combustion incomplète due à un manque d'air. La figure 2 représente une deuxième forme de réalisation de l'invention, dans laquelle les composants semblables à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes repères. Cette deuxième forme de réalisation est construite de façon à ce que, lorsque la charge varie, l'alimentation en air et la quantité de combustible à injecter sont toutes deux augmentées, pour éviter une baisse de la vitesse de rotation du moteur. L'augmentation de combustible à injecter est obtenue de la façon suivante. Comme représenté sur la figure 2, un équipement à solénoïde 32, monté sur la pompe 30 d' injection de combustible, est commandé par le régulateur 21 de façon à intervenir, lors de l'apparition d'une variation de charge, pour augmenter la quantité de combustible injecté. Le détail du solénolde 32 est représenté sur la figure 3. Un noyau en fer doux 33 est vissé dans l'extrêmité de droite d'une crémaillère 34 de la pompe 30 d'injection de combustible et un support cylindrique 37 de solénolde, sensiblement concentrique au noyau 33, est fixé au carter extérieur de la pompe 30 d'injection de combustible. Une bobine d'électro-aimant 36, contenue dans un capot 39, est montée du côté extérieur du support de solénolde 37.L'extrêmité du support 37 est obturée par un bouchon 38. Un passage de purge 35 débouche, à l'uné de ses extrêmités, à l' extrêmité avant du noyau 33 et, à son autre extrêmité, sur le côté de la crémaillère 34, pour permettre un déplacement régulier de cette dernière. La pompe 30 d'injection de combustible comporte, sur son côté gauche, un dispositif de commande automatique 31 et une poignée de commande 29 est fixée au côté gauche du dispositif 31. La canalisation 10 se divise; en un point situé à l'aval de l'électrorvanne 22, pour former une dérivation 10' qui est équipée à son extrêmité aval d'une buse 13 d' injection d'air principal et d'un clapet anti-retour 27 à l'amont de la buse 13. Dans cette construction, le régulateur 21 ouvre simultanément le solénoïde 32 et l'électrovanne 22, ce qui permet à l'air à haute pression d'être injecté par les buses 13 et 9 d'injection d'air principal et secondaire, dans le. moteur 1 à combustion interne. La description ci-dessus montre que cette deuxième forme de réalisation permet d'éviter la baisse de la vitesse de rotation du moteur, lors d'une variation de charge, plus positivement que la première forme de réalisation, car dans le deuxième cas la quantité de combustible injectée augmente tout comme l'alimentation en air. r On compare maintenant le fonctionnement de la deuxième forme de réalisation et celui d'un exemple dans lequel la crémaillère de la pompe d'injection de combustible est 'commandée par le régulateur de vitesse seul. Comme représenté sur la figure 4, dans ce dernier cas où la crémaillère de la pompe d'injection est actionnée par le régulateur de vitesse seul, la vitesse de rotation du moteur diminue brusquement, comme indiqué par les pointillés, à cause du retard dans la réponse de la crémaillère et dans l'alimentation d'air sous pression. Au contraire, avec la deuxième forme de réalisation, la réponse de la crémaillère est rapide et l'alimentation en air sous pression augmente rapidement, comme représenté en trait plein, de sorte que la diminution de vitesse de rotation du moteur est faible. La figure 5 illustre une troisième forme de réalisation de l'invention, qui diffère des formes précédentes en ce qu'elle est prévue pour empêcher les fuites d' air à haute pression envoyé à la soufflante 5. Les autres caractéristiques de construction sont à peu près les mêmes que celles de la première forme de réalisation. Un dispositif 40 anti-fuite d'air est prévu à l'avant du carter 14 de la soufflante 5, le corps cylindrique 41 de ce dispositif étant fixé à la surface avant du carter 14. Le corps cylindrique 41 comporte un orifice d'aspiration 43, à son extrêmité avant, dans lequel un clapet 42 est installé et maintenu par un support, non représenté. Lorsque la pression dans le corps 40 devient supérieure à la pression atmosphérique, le clapet 42 obture l'orifice d'aspiration 43. La canalisation 10 est raccordée, à son extrêmité aval 9', au côté du corps 41 et la dérivation 10' est raccordée, à son extrêmité aval 13', au collecteur d'admission 6. L'extrêmité aval 9' de la canalisation 10 constitue Un exemple des moyens d'alimentation en air secondaire et l'extrêmité aval 13' de la dérivation 10' constitue un exemple des moyens d'alimentation en air principal. Les électro-vannes 22 et 23 sont prévues dans la canalisation 10 et la dérivation 1Q', respectivement. Le fonctionnement est le suivant. Lorsque la charge 24 varie et que les électro-vannes 22 et 23 s'ouvrent, l'air à haute pression venant du réservoir 7 est introduit par la dérivation 10' dans-le collecteur d'admission 6 et iL est également admis par la canalisation 10 dans le corps 41 du dispositif anti-fuite 40. Lorsque la pression dans le corps 41 devient supérieure à la pression atmosphérique, le clapet 42 obture l'orifice d'aspiration 43, ce qui empêche la fuite d'air à haute pression fourni par le réservoir 7. Ensuite, lorsque la vitesse de rotation de la turbine 4 augmente du fait de l'accroissement des gaz d'échappement, la soufflante tourne plus vite et aspire une plus grande quantité d'air. Lorsque la quantité d'air aspirée par la soufflante devient supérieure à la quantité d'air fournie par la canalisation 10, la pression dans le corps 41 du dispositif anti-fuite devient inférieure à-la pression atmosphérique, ce qui provoque l'ouverture du clapet 42 permettant l'entrée de l'air extérieur. Cette troisième forme de réalisation présente, en plus de diverses caractéristiques des première et deuxième formes de réalisation, un avantage en ce que la quantité d'air à haute pression venant du réservoir d'air 7 peut être réduite. Grâce aux caractéristiques ci-dessus, une bouteille 7a d'air à haute pression peut être utilisée comme source d'alimentation en air, comme représenté sur la figure 6. Ainsi, dans la quatrième forme de réalisation de la figure 6, le réservoir d'air 7 et le compresseur 8 peuvent être supprimés. Dans la quatrieme forme de réalisation, des vannes 44 et 45 de réglage de débit sont prévues dans les canalisations 10 et 10', à l'aval des électro-vannes 22 et 23 respectivement, de sorte qu'un débit constant d'air à haute pression est maintenu même lorsque la pression dans la bouteille 7a d'air à haute pression varie. EXEMPLE Avec un générateur 20 de caractéristiques nominales fixées à 400 kW et 1500 t/mn, des essais sont effectués pour la première forme de réalisation (figure 1), la deuxième forme de réalisation (figure 2), la troisième forme de réalisation (figure 5) et le moteur à combustion interne usuel comportant seulement un dispositif de suralimentation, pour obtenir les courbes d'application de-charge représen téesur la figure 7. La figure 7 montre que les trois formes de réalisation de l'inventionsprésentent toutes un faible pourcentage de variation de vitesse instantanéevpour-le facteur d'ap plication de charge de 50t ou plus. Autrement dit, elles sont stables aux variations de charale. Dans cet essai, la pression dans le réservoir d'air-7 utilisé-est de 6 bars, la capacité du réservoir d'air 7 et de la bouteille d'air 7a est de 0,3 m3 et la réponse d'injection est réglée avec un retard de zéro seconde. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention sans sortir du cadre de celle-ci. Revendications 1. Moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de suralimentation, caractérisé en ce qu'il comprend : des moyens (13) d'alimentation en air principal, pour injecter de l'air à haute pression, situés à l'aval du réfrigérant d'air (16) ; des moyens (9) d'alimentation en air secondaire, pour injecter de l'air à haute pression, installés à l'entrée de la soufflante (5) ; et des électro-vannes (22, 23) prévues sur des canalisations respectives aboutissant aux moyens d'alimentation en air principal et secondaire, ces électrovannes étant commandées de manière à s'ouvrir ou à se fermer automatiquement en fonction d'une variation de charge du moteur à combustion interne. 2. Moteur à combustion interne équipé-d'un dispositif de suralimentation,suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (13) d'alimentation en air principal sont raccordés au collecteur d'admission (6). 3. Moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de suralimentation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en air principal et -secondaire sont constitués par des buses d'injection d'air. 4. Moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de suralimentation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en air principal comprennent une canalisation d'alimentation en air. 5. Moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de suralimentation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en air secondaire comprennent un dispositif (40) destiné à empêcher les fuites d'air. 6. Moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de suralimentation suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif (40) destiné à empêcher les fuites d'air comprend un corps (41) fixé au carter de la soufflante, un orifice (43) d'aspiration d'air extérieur, formé dans le corps, un clapet (42) pour ouvrir et fermer l'orifice d'aspiration en fonction d'une différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du corps (41) et une canalisation (10) d'alimentation en air communiquant avec le corps. 7. Moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de suralimentation suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un équipement (32) à électroaimant, qui actionne la crémaillère (34) de la pompe (30) d'injection de combustible simultanément au fonctionnement de l'électro-vanne (22), est prévu sur la pompe d'injection de combustible montée sur le moteur à combustion interne. 8. Moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de suralimentation, suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'équipement (32) à électro-aimant comprend un noyau en fer (33) fixé à une extrêmité de la crémaillère (34) de la pompe d'injection de combustible, un support (37) de solénoïde disposé concentriquement au noyau et une bobine de solénolde (36) fixée sur le support de solénoïde.