Brevet FR2534971A1 — publié le 19840427

La présente invention se rapporte à un procédé de suralimentation d'une machine ou moteur à combustion interne par turbocompresseur à gaz d'échappement, en utilisant un compresseur monté côté admission et une turbine située côté échappement, et en tirant parti des oscillations gazeuses au moyen d'un système oscillant. La suralimentation par turbocompresseur est actuellement le moyen de loin le plus connu pour augmenter la puissance spécifique d'un moteur à combustion interne. Cependant, les caractéristiques d'absorption différentes du turbocompresseur et du moteur à combustion interne à quatre temps soulèvent des problèmes d'adaptation très complexes, en particulier lorsque le moteur à combustion interne doit être conçu pour une plage la plus vaste possible de fortes pressions moyennes, comme cela est nécessaire pour des moteurs de véhicules modernes Par conséquent, toute adaptation d'-un turbocompresseur à un moteur devéhicule à quatre temps constitue en fin de compte un compromis entre des valeurs optimales de fonctionnement à un instant de fonctionnement choisi et un domaine ou plage de fonctionne- ment utile le plus étendu possible. Toute une série de mesures est connue pour surmon- ter ces difficultés et pour élargir le plus possible la plage de fonctionnement utile de moteurs suralimentés par des turbocompresseurs. Par exemple, pour de petits moteurs, il est en général courant de disposer une soupape de décharge en aval du compresseur ou en amont de la turbines en vue de régler la pression maximale de su ralimentation. Il est en outre connu de combiner la suralimenta- tion par turbocompresseur à une suralimentation obtenue par un système de résonance Dans ce qu'on appelle la "suralimen- tation par résonance' on utilise des systèmes qui, fonc- tionnant par les oscillations des gaz frais et harmonisés en fonction de la résonance, comportent des tubes de réso- nance et éventuellement des cuves de résonance Ces derniers forment alors un système oscillant dont le nombre spécifique d'oscillations peut être bien déterminé Le principe de la suralimentation par résonance peut être appliqué isolément, ou bien précisément être conjugué à une suralimentation par turbocompresseur pour constituer ce qu'on appelle une "sura- limentation combinée" Lorsque cet agencement oscillant est intercalé entre le turbocompresseur ou le conduit d'amenée d'air et le cylindre et lorsque, par suite de la course du piston lors du fonctionnement du moteur pendant les périodes d'aspiration qui se succèdent, il est excité à une fréquence proche de son nombre spécifique d'oscillations, il se produit une résonance et cela provoque des oscillations de pression amplifiées grâce auxquelles, sous l'action des surpressions dues aux oscillations et se produisant à un instant considéré lorsque la soupape d'admission est fermée, le taux de rende- ment des cylindres peut être notablement amélioré dans une plage de vitesses angulaires souhaitée, par comparaison avec des moteurs à combustion interne qui ne comportent pas une telle suralimentation par résonance Des considérations plus détaillées à ce sujet ont été publiées par exemple dans la revue "IMTZ Notortechnische Zeitschrift", N O 32 ( 1971), pages 368 à 373 et no 39 ( 1978),pages 447 à 451. En plus de tels dispositifs placés côté admission et équipés d'un système oscillant harmonisé en fonction de la résonance, la disposition d'un système oscillant cité échappement est, par exemple, connue d'après le document DE-A-2 914 691 Le procédé décrit dans ce document prévoit de séparer l'absorption ou le rendement d'un moteur à quatre temps et d'un turbocompresseur, de telle façon que les condi- tions de fonctionnement de ce dernier soient proches de celles du principe pur et simple d'une turbine à gaz Pour provoquer cette séparation, un conduit de jonction (dériva- tion) relie le collecteur d'admission, en aval du compresseur, au collecteur d'échappement en amont de la turbine Ce con- duit de jonction est branché parallèlement au moteur Une valve incorporée dans ce conduit de jonction permet de régu- ler le courant d'air qui le parcourt En tirant parti de l'énergie des pulsations engendrée par le mouvement des gaz du moteur et provenant d'une part des variations-de pression *de l'air de suralimentation côté aspiration et, d'autre part, des variations de pression du système d'échappement du côté de l'échappement, le conduit de'jonction doit provoquer une différence de pression tellement grande qu'une grande quantité d'air doit affluer par ce conduit de jonction lors du fonctionnement sous charge partielle, et cela même lorsque la pression moyenne en amont de ce conduit de jonction est plus faible que la pression moyenne qui règne en aval de ce dernier Cela permet d'obtenir, en plus d'unaccroissement de la pression de l'air de suralimentation, une amélioration du comportement à l'accélération d'un moteur ainsi équipé, de préférence dans la plage de fonctionnement sous charge partielle dans laquelle il faut s'attendre à un besoin en air maximal. Un procédé technique analogue de suralimentation, décrit dans a revue "Entropie", n 48 ( 1972), pages 5 à 12, prévoit en plus de disposer une chambre de combustion dans le conduit de jonction mentionné. Les systèmes connus à résonance situés du côté de l'air de suralimentation, dans lesquels les courses d'aspiration se produisant cycliquement provoquent en cas de résonance une onde-dans le système d'admission, présentent cependant des inconvénients qui s'opposent à leur large utilisation L'énergie d'excitation absorbe du travail développé par le mouvement des gaz, ce qui augmente la consommation en carburant Dans de nombreux cas d'utilisation (nombre de cylindres), les amplitudes de pression pouvant être créées sont trop faibles pour qu'une suralimentation efficace puisse être garantie La largeur de la bande de fréquence efficace est relativement petite En revanche, des systèmes de résonance placés côté échappement n'apportent aucune amélioration et exercent même des effets négatifs. A cela s'ajoute, d'une manière générale, que l'agencement et la conception d'un système de résonance constituent toujours un compromis entre un rendement optimal, des dimensions acceptables des composants et des pertes d'écoule- ment admissibles dans le système d'admission Dans ce cas, la question du dimensionnement devient d'autant plus critique que le spectre de la fréquence de résonance est bas. L'invention a par conséquent pour objet, par comparaison avec les systèmes connus de suralimentation, d'augmenter les amplitudes de pression du côté admission (et donc l'effet de suralimentation), de diminuer l'absorption de travail du mouvement des gaz pour l'excitation, et de dissocier le turbocompresseur du moteur de façon à pouvoir le faire fonctionner dans une plage de fonctionnement plus favorable. Dans ce but, le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que les organes d'admission et les organes d'échappement du moteur sont reliés par une liaison pour consti- tuer un système oscillantapteà résonner,lorsque la pression régnant en aval du compresseur est plus grande que la pres- sion régnant en amont de la turbine. Conformément à l'invention, un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, équipant un moteur à pistons à combustion interne muni de plusieurs cylindres, surali- menté par turbocompresseur à gaz d'échappement et comprenant des organes d'admission, des organes de liaison et des organes d'échappement aptes à osciller, est caractérisé par le fait que des organes d'admission, des organes d'échappe- ment ainsi qu'une liaison entre ces derniers) sont harmonisés en fonction d'un système oscillant dont la fréquence propre provoquant la suralimentation est proche de la fréquence d'excitation; et par le fait qu'est incorporé dans ladite liaison un organe d'isolement qui relie les composants d'admission et les composants d'échappement du système oscillant lorsque la pression régnant côté admission est plus forte que celle qui règne côté échappement. L'utilisation, proposée par l'invention, du côté échappement pour former le circuit oscillant de résonance permet d'obtenir des avantages considérables Tout d'abord, le problème de dimensionnement précité est d'une façon générale édulcoré L'énergie nécessaire à l'excitation d'une onde stationnaire concerne un endroit dans lequel elle est disponible en grandes quantités et dans une succession cycli- que utilisable lors d'un regroupement approprié L'utilisa- tion, dans le réseau d'échappement, des pulsations de pression (qui demeurent sinon inutilisées) pour exciter le système oscillant côté admission permet d'obtenir de plus grandes amplitudes de pression Le même effet provoque un abaissement de la pression dans la zone située entre les pulsations, ce qui réduit de nouveau le travail provoqué par le mouvement des gaz, donc aussi la consommation de carburant En même temps, les caractéristiques d'absorption du moteur et du turbocompresseur sont dissociées, avec les avantages que cela implique. L'organe d'isolement peut consister en un clapet anti-retour qui est monté dans la liaison d'une manière telle qu'il autorise seulement un écoulement du côté admission au côté échappement Dans ce cas, le turbocompresseur fonc- tionne de manière entièrement libre et il présentera toujours un degré optimal de rendement à l'état de fonctionnement stationnaire. Cependant, lorsqu'on souhaite remettre les gaz d'échappement en circulation à cause de la qualité de ces gaz d'échappement à très faible charge et/ou pour améliorer le démarrage à froid du moteur, il est judicieux de réaliser l'organe d'isolement sous la forme d'un volet réglable dont la position peut être ajustée en fonction de la charge, de la puissance et de la vitesse de rotation du moteur à combus- tion interne. L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 illustre schématiquement un moteur à six cylindres en ligne équipé d'une suralimentation- combinée; la figure 2 montre par une représentation analo- gue à la figure 1 un moteur à quatre cylindres la figure 3 illustre par une représentation analogue un moteur à cinq cylindres les figures 4 a et 4 b sont chacune une représen- tation fragmentaire correspondant aux figures qui précèdent, afin d'illustrer la possibilité de montage du refroidisseur d'air de suralimentation-; et la figure 5 est à nouveau une représentation analogue aux figures 1 à 3, montrant un moteur à huit cylin- dres en V pour mettre en évidence l'application de l'inven- tion à des moteurs à plus grand nombre de cylindres en agençant le dispositif en double. La figure 1 illustre schématiquement un moteur à six cylindres Des cylindres la, lb, lc, id, le, 1 f situés dans le bloc moteur non représenté en détail présentent chacun une soupape d'admission et une soupape d'échappement *non illustrées en détail Selon le mode de fonctionnement classique d'un moteur de ce type, le cycle de fonctionnement est tel que les cylindres la, lb, lc ou Id, le,'lf se suivent avec un angle de manivelle de 240 et qu'il existe entre ces deux groupes une différence d'angle de manivelle de 120 '. Cet agencement provoque une répartition des organes d'admis- sion et des organes d'échappement en deux groupes, comme illustré sur la figure 1 Les soupapes d'échappement du groupe des cylindres la à lc débouchent chacune par l'inter- médiaire d'un canal d'échappement 2 dans un collecteur commun 3 des gaz d'échappement Un agencement analogue est prévu pour les soupapes d'échappement du groupedes cylindres ld à if, qui débouchent par des canaux d'échappement 2 dans un collecteur 3 des gaz d'échappement qui leur est associé. A partir de chacun de ces deux collecteurs 3, un tuyau d'échappement 4 dirige les gaz d'échappement vers une turbine à gaz d'échappement avant qu'ils soient rejetés dans l'atmosphère Cette turbine 5 entraînée par les gaz d'échap- pement mène un compresseur 7 par l'intermédiaire d'une liaison d'entraînement 6 'il Lus trée en pointillé La turbine 5 et le compresseur 7 forment conjointement le turbocompres- seur du moteur représenté. D'une manière correspondant à la disposition du côté échappement, les soupapes d'admission du groupe des cylindres la à lc débouchent chacune par un canal d'admission 8 dans une cuve commune de résonance 9 et, de manière ana- logue, les canaux d'admission 8 des cylindres ld à lf débou- chent dans une seconde cuve de résonance 9 de ce type Les deux cuves de résonance 9 sont reliées chacune par un tube de résonance 10 à une cuve de compensation 11 Cette dernière est à son tour raccordée, par un conduit 12 d'amenée de l'air, au côté sortie du compresseur 7 du turbocompresseur Les deux cuves de résonance 9 situées côté admission sont, comme il ressort de la figure 1, reliées par des conduits de jonc- tion 13 (disposés en croix)aux collecteurs 3 des gaz d'échap- pement situés côté échappement Dans cette liaison 13 entre le côté admission et le côté échappement, sont incorporés des organes d'isolement (se présentant sous la forme de clapets anti-retour 14 dans l'exemple considéré), qui bloquent l'écoulement du côté échappement au côté admission. Le mode de fonctionnement et l'action exercée par le turbocompresseur 5, 7 décrit ci-dessus peuvent être présupposés connus. Le circuit oscillant propre,à résonner, associé à la suralimentationsupplémentaire par résonance, est formé par les deux tubes de résonance 10, la cuve de compensation 11, les cuves de résonance 9 et les canaux d'admission 8 du côté admission, ainsi q(ue par les tubes de jonction 13 et les organes situés côté échappement, les canaux d'échap- pement 2, les collecteurs 3 des gaz d'échappement et les tuyaux d'échappement 4. Ainsi, ce système oscillant comprend aussi bien des organes du côté admission que des organes du côté échap- pement, ainsi que la liaison entre ces organes Ce système oscillant est réglé de telle sorte que sa fréquence propre se trouve dans une plage souhaitée de vitesses angulaires du moteur lorsque la liaison 13 est ouverte Lors du fonc- tionnement du dit moteur, les oscillations gazeuses sont provoquées par les poussées d'échappement, se succédant cycli- quement, des cylindres la à lc ou ld à lf et elles produisent la suralimentation à la fin des cycles d'aspiration des côtés admission des cylindres id à If ou la à lc, raccordés par la liaison 13. Sur les figures 2 et 3 qui illustrent respecti- vement, par le même genre de représentations que la figure 1, un moteur à quatre cylindres en ligne et un moteur à cinq cylindres en ligne, les composants du système oscillant sont représentés adaptés au mode de fonctionnement de ces moteurs, en particulier à leurs dispositifs d'allumage, aux commandes de leurs soupapes et au recoupement de leurs cycles d'aspira- tion et d'échappement, les mêmes pièces portant les mêmes numéros de référence Dans ce cas, le système oscillant comporte la cuve de résonance 9 proprement dite placée en aval du conduit 12 d'amenée de l'air allant du compresseur 7 à ladite cuve de résonance 9; du côté admission, ce sys- tème comporte quatre (figure 2) ou cinq (figure 3) canaux d'admission 8 reliant cette cuve 9 aux cylindres la à Id ou la à le; du côté échappement, il comprend un collecteur 3 des gaz d'échappement dans lequel débouchent les quatre ou cinq canaux d'échappement 2 des cylindres la à id ou la à le, le tuyau d'échappement 4, ainsi que le conduit 13 qui relie la cuve de résonance 9 au collecteur 3 et dans lequel est de nouveau incorporé un organe d'isolement 14, par exemple un clapet anti-retour. Là encore, ce système oscillant est réglé de telle façon que sa fréquence propre se situe dans une plage souhaitée de vitesses angulaires du moteur lorsque la liaison 13 est ouverte Les oscillations gazeuses sont provoquées par les poussées d'échappement qui se succèdent cycliquement. Le conduit 12 d'amenée de l'air doit être réalisé de façon que sa fréquence propre ne se situe pas dans la fréquence d'excitation déterminée par le-moteur. Les dispositifs mentionnés ci-avant peuvent être complétés à tout instant par un refroidisseur de l'air de suralimentation Dans un moteur à six cylindres selon l'exemple de la figure 1, et comme le montre la figure 4 a, un refroidisseur 15 de ce type est commodément branché direc- tement sur le conduit 12 d'amenée de l'air, en amont de la cuve de compensation 11 Dans les exemples de réalisation selon les figures 2 et 3, et comme'le montre la figure 4 b, ce refroidisseur est rationnellement monté dans ledit conduit 12. La figure 5 illustre à titre d'exemple une forme de réalisation, conformément à l'invention, de machines ou moteurs à combustion interne équipés d'un nombre de cylindres supérieur à ceux des exemples des figures 1 à 3 Cette réali- sation se fonde à chaque fois sur une multiplication (en particulier un doublement) des dispositifs selon les figures 1 à 3 ci-avant, auquel cas cependant il est en général prévu pour chaque moteur un seul turbocompresseur, c'est-à-dire un seul compresseur 7 et une seule turbine 5 qui entraînent des répartitions de couple ou de puissance correspondantes. Cette multiplication ressort en détail du moteur à huit cylindres représenté sur la figure 5, qui comporte un double- ment du dispositif illustré sur la figure 2 pour un moteur à quatre cylindres Dans ce cas également, les organes iden- tiques sont affectés des mêmes références numériques De la même manière, conformément à l'invention, il est possible d'obtenir des moteurs à dix cylindres par un doublement du moteur à cinq cylindres représenté sur la figure 3,et des moteurs à douze cylindres par un doublement du moteur à six cylindres de la figure 1. Dans tous les cas, le ou les organes d'isolement 14 peuvent être réalisés sous la forme de simples clapets anti-retour qui, comme mentionné ciavant, sont incorporés dans la liaison entre'le côté admission et le-côté échappement de manière à autoriser seulement un écoulement du côté admis- sion au côté échappement Du point de vue technique, il convient de faire observer que les pertes d'écoulement sont maintenues très faibles dans l'organe d'isolement 140 Selon un perfectionnement de l'invention, si une certaine remise en circulation des gaz s'avère souhaitable à cause de la qualité des gaz d'échappement à très faible charge et/ou en vue d'améliorer les propriétés de démarrage à froid, le ou chacun des organes d'isolement 14 peut aussi consister en un volet commandable Le réglage d'un tel organe d'isole- ment peut alors avoir lieu en fonction de différents para- mètres du moteur, par exemple des pompes d'injection, la position des tiges de réglage et/ou la vitesse de rotation du moteur, la température des gaz d'échappement, etc. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATION$ 1 Procédé de suralimentation d'un moteur à combus- tion interne par turbocompresseur à gaz d'échappement, en utilisant un compresseur situé côté admission et une tur- bine disposée ecté échappement, et en tirant parti des oscillations gazeuses au moyen d'un système oscillant, pro- cédé caractérisé par le fait que les organes d'admission ( 9,8) et les organes d'échappement ( 2, 3, 4) du moteur sont reliés par une liaison ( 13) pour constituer un système oscillant ( 2, 3, 4, e, 9, 13) apte à résonner, lorsque la pression régnant en aval du compresseur ( 7) est-plus grande que la pression régnant en amont de la turbine ( 5). 2 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, équipant une machine ou moteur à pistons à combustion interne muni de plusieurs cylindres,, suralimenté par turbocompresseur à gaz d'échappement et comportant des organes d'admission, des organes de liaison et des organes d'échappement aptes à osciller, dispositif caractérisé par le fait que des organes-d'admission ( 11,10,9,8), des organes d'échappement ( 2,3,4) ainsi qu'une liaison ( 13) entre ces derniers sont réglés en fonction d'un système oscillant ( 2,3,4,8,9,13) dont la fréquenee propre provoquant la sura- limentation est proche de la fréquence d'exeitation; et par le fait que, dans cette liaison, est incorporé un organe d'isolement ( 14) qui relie les composants d'admission ( 9,8) et les composants d'échappement ( 2,3,4) du système oscillant lorsque la pression qui règne du côté admission est plus grande que celle régnant du ecté échappement. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que I'organe d'isolement ( 14) est un clapet anti-retour. 4 Dispositif selon la revendication 2, caraeté- risé par le fait que l'organe d'isolement est réalisé sous la forme d'un volet réglable dont la position peut être ajustée en fonction de la charge, de la puissance et de la vitesse de rotation du moteur à combustion interne. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 2 à 4, caractérisé par le fait que les organes d'admission renferment un refroidisseur ( 15) d'air de surali- mentation. 6 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 2 à 5, caractérisé par le fait que l'organe d'iso- lement ( 14) est commandé de telle façon qu'une certaine quan- tité de gaz d'échappement soit remise en circulation dans la plage de fonctionnement sous charge partielle.