Brevet FR2535392A1 — publié le 19840504

Une des méthodes les plus couramment adoptées pour augmenter la puissance des moteurs à combustion interne réside dans la suralimentation, réalisée 3 l'aide de com- presseurs volumétriques ou centrifuges. L'efficacité de la suralimentation dépend de l'aug- mentation de densité conférée à l'air par effet de la com- pression et elle est d'autant plus grande que la densité est élevée. L'augmentation de densité s'accompagne toutefois 1 o d'une notable augmentation de la température, ce qui dans les moteurs à allumage commandé comporte un risque de dé- tonation Pour éviter ce risque, on doit alors réduire le taux de compression volumétrique, ce qui se traduit par une augmentation de la consommation en combustible aux faibles charges du moteur, d'ou la nécessité de prévoir un refroi- dissement de l'air avant son admission dans les cylindres. Dans la plupart des cas, le refroidissement de l'air avant son admission dans les cylindres est assuré par des échangeurs de chaleur du type airair ou air-eau Toutefois il s'agit de solutions d'une efficacité limitée car ils ne sont pas en mesure de permettre des refroidissements impor- tants de l'air d'alimentation, car la température du fluide de refroidissement est tout au plus égale, mais jamais in- férieure, à la température ambiante. D'autre part, ces solutions comportent des encom- brements d'autant plus grands que la capacité de refroidis- sement de l'échangeur est élevée pour un saut de température donné, la transmission de la chaleur s'accroissant dans la même mesure que l'on augmente les surfaces d'échange ther- mique Pour franchir les limitations imposées par ces solu- tions, sans pour autant avoir recours à des constructions très complexes, on a alors envisagé de réaliser un système de suralimentation pour moteurs à combustion interne dans lequel l'air comprimé est refroidi dans une certaine mesure dans un échangeur de chaleur pour être ensuite soumis à une détente partielle, essentiellement adiabatique, dans une turbine o il est fortement refroidi jusqu'à une température inférieure ou égale à la température ambiante, avec une. dressnon variation de temperature qui est fonctioqn de la diff Vrence le/ et d'autre 2 de part/ de cette même turbine Une des caractéristiques essentielles de l'invention réside dans le fait que l'éner- gie produite par la turbine est utilisée pour entraîner un compresseur complrmentaire qui assure une compression sup- plémentaire de l'air en additionnant sa propre action à celle du compresseur normal relié au fonctionnement du moteur. Ceci évite de faire fonctionner dans les conditions les plus critiques le compresseur relié au moteur, pour Pouvoir obtenir la même surcompression, ou d'avoir recours à des solutions complexes, comme par exemple plusieurs étages de compression reliés opérationnellement au moteur. Le système de suralimentation ainsi réalisé eomprend au moins un conduit d'aspiration de l'air doté de premiers moyens de compression de l'air et relié au fonctionnement du moteur à crmbuistion interne, de moyens échangeurs de chaleur pour un refroidissement partiel de l'air, disposés en aval desdits premiers moyens de compression, et caracté- risé par le fait qu'il est également doté d'une turbine dans laquelle l'air subit une détente partielle, disposée en aval desdits moyens échangeurs de chaleur, et des seconds moyens de compression de l'air, disposés en amont desdits moyens échangeurs de chaleur et reliés au fonctionnement de ladite turbine. Le combustible nécessaire pour former le mélange pourra être alimenté par un système, soit qu'il s'agisse d'essence ou de gasoil, ou bien être fourni par des carbu- rants disposés préférablement en aval dudit échangeur de chaleur. La figure 1 i représente schématiquement une forme de réalisation du système d'alimentation selon l'invention, tandis que la figure 2 montre une variante de la première forme de réalisation. Sur la figure 1 la référence 10 désigne un moteur à combustion interne multicylindrique alimenté avec de l'air ou avec un emelange d'air et combustible à travers le col- lecteur d'aspiration 11 Après avoir été éventuellement filtré, l'air d'alimentation du moteur entre à travers le conduit d'aspiration 12 dans le compresseur centrifuge 13 pour passer ensuite, à travers la portion de conduit d'aspiration I 4 > dans le compresseur centrifuge 15 L'air comprimé parvient ensuite, à travers le conduit d'aspiration 16, dans l'échangeur de chaleur 17, par exemple du type air-air, oy il perd une partie des calories acquises dans les compresseurs 13 et 15 par effet d'une compression es- sentiellement adiabatique. Successivement, l'air parvient, à travers le conduit d'aspiration 1 &, dans une turbine centripète 19 ou il subit une détente partielle, essentiellement adiabatique, et successivement un fort refroidissement qui l'amène à une température égale ou inférieure à la température atmosphé- rique, la température en fin de détente étant fonction de la différence de pression'de part et d'autre de la turbine. L'air qui sort de la turbine 19 parvient enfin, à travers le conduit d'aspiration 20, dans le collecteur 11 et depuis celui-ci dans les cylindres du moteur 10. Naturellement, on pourra prévoir d'alimenter sépa- rément des groupes différents de cylindres du moteur, en adoptant pour chaque groupe de cylindres un système de sura- limentation comme celui qui vient d'être décrit. Comme on peut le voir sur la figure, le compresseur 13 est entraîné par la turbine 19 à travers l'arbre 21, de manière à exploiter l'énergie produite par la détente par- tielle de l'air dans ladite turbine. Dans l'emple représenté, le compresseur 15 est entraîné à travers-l'arbre 25 par une turbine centripète 24 actionnée par les gaz d'échappement du moteur. Les gaz de la combustion produits par le moteur sortent dans le collecteur 22 et depuis celui-ci ils par- viennent, à travers le conduit 23, dans la turbine 24 Une partie des gaz d'échappement passe dans le conduit de dérivation 26, si la valve 27 est ouverte, lorsque la pression dans le collecteur Il dépasse une valeur de seuil préfixée. A travers le conduit 28, les gaz de la combustion confluent dans le tuyau d'échappement 29 qui sort de la turbine 24. Ainsi, grâce au système qui vient d'être décrit on parvient à obtenir un refroidissement efficace de l'air 2535392 - sous pression qui alimente le moteur, et cela par effet de la soustraction de chaleur qui se produit dans l'échangeur et par la successive détente de l'air dans la turbine 19. La pression et par conséquent la densité de l'air à l'entrée des cylindres peuvent être maintenues aux valeurs désirées, sans avoir recours à des augmentations notables du potentiel du compresseur 15, car une partie de la différence de pression perduepar l'air dans la turbine 19 est compensée par l'augmentation de pression en amont, réalisée par le compresseur supplémentaire 13. Ces résultats ont d'ailleurs été vérifiés par calcul avec des configurations différentes du système. Avec un compresseur centrifuge 15 capable de donner un taux de compression Ac = 3, et avec un échangeur de chaleur 17 ayant un rendement -= 0,8, en supposant que la température de l'air ambiant soit Te = 27 C, on a trouvé, dans le cas d'un système dépourvu de la turbine 19 et du compresseur 13, une température de l'air comprimé à l'entrée des cylindres Ta = 58 C et une densité de l'air 6 0,325 kgm/m 3. a En revanche, avec l'utilisation d'un compresseur centrifuge 15 capable de donner un taux de compression c= 4, un compresseur centrifuge 13 doté d'un taux de compression xcs = 17 et une turbine 19 dans laquelle on a réalisé cs difference une/de pression AT = 2,5, on a pu mesurer une température de l'air comprimé à l'entrée des cylindres Ta = 22 C et une densité de l'air 6 = 0,333 Kgm/m 3. Par conséquent, on est parvenu à réaliser pratique- ment la même suralimentation du moteur, avec sensiblement la même densité de l'air, mais avec une notable différence de la température d'alimentation, c'est-à-dire 58 C contre 22 C. Si l'on n'avait pas prévu le compresseur 13, on devrait avoir recours à un turbocompresseur 15, éventuel- lement à étages multiples, capable de fournir à lui seul le taux de compression total de 4 x 1,7, soit 6,8. Le système de suralimentation représenté sur la figure 2 comporte les mêmes composants que celui de la figure 1, de sorte que ces derniers ont été repérés avec les mêmes numéros de référence. Les deux systèmes fonctionnent d'autre part d'une manière identique, l'unique différence étant représentée par la disposition du compresseur 13, qui dans le second cas est situé en aval du compresseur 15. 2535392: " REVEDICATIONS 1 Système de suralimentation pour moteurs à combustion interne, comprenant au moins un conduit d'aspi- rati Dn de l'air doté de premiers moyens de compression de l'air et reli au fonctionnement du moteur à combustion interne, de moyens échangeurs de chaleur pour un refroidis- sement partiel de l'air, disposés en aval desdits premiers moyens de compression, et caractérisé'par le fait qu'il est également doté d'une turbine ( 19), dans laquelle l'air subit une détente partielle, disposée en aval desdits moyens ( 17) ( 13) changeurs de chaleur/, et des seconds moyens/de compression de l'air, disposés en amont desdits moyens échangeurs de chaleur et reliés au fonctionnement de ladite turbine ( 19). 2 Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits seconds moyens de compression sont constitués par un compresseur centrifuge ( 13) disposé dans ledit conduit d'aspiration ( 12) en amont desdits premiers moyens de compression ( 15). 3 Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits seconds moyens de compression sont constitués par un compresseur centrifuge ( 13) disposé dans ledit conduit d'aspiration ( 12) du moteur en aval desdits premiers moyens de compression ( 15).