Brevet FR2649756A1 — publié le 19910118

La présente invention concerne un dispositif d échappement perfectionné pour un moteur muni d'un turbocompresseur. notamment pour véhicule automobile. Un turbocompresseur est un moyen d'augmenter la puissance d'un moteur et en particulier d un moteur diesel. sans en augmenter la cylindrée. Par rapport à un moteur de plus forte cylin drée. un moteur muni d'un turbocompresseur présente intrinsèquement des inconvénients, à savoir - le couple à bas régime est relativement faible; et - il existe un temps de réponse relativement important entre le moment ou le conducteur accélère et le moment où le couple apparait effectivement. Afin de réduire ces inconvénients. les constructeurs de moteurs et de turboompresseurs. ont tenté d'améliorer les caractéristiques du turbocompresseur. a savoir en particulier son rendement. son inertie, son adaptation au moteur et ses facultés de récupération de l'énergie disponible. C' est ainsi par exemple que sur des moteurs industriels ou de compétition, on a utilisé des phénomènes appelés "bouffées de yaz d'échappement" pour améliorer les performances des turbocompresseurs et donc des moteurs. Ces phénomènes apparaissent à chaque ouverture dune soupape d'échappement du moteur. Cette exploitation est realisée en réduisant le volume du collecteur d échappement. pour que chaque bouffée de gaz d'échappement donne une impulsion à la turbine du turbocompresseur. ce qui permet d'améliorer la réponse du turbocompresseur en particulier à bas régime du moteur. Cependant. ceci présente un certain nombre d'inconvénients, notamment au niveau du bruit induit par ces bouffées, ce bruit atteignant un niveau lnad- missible pour un véhicule de tourisme à partir d'un certain régime du moteur, En effet, pour exploiter ces phénomènes de bouffées, on est conduit à réduire le volume du collecteur, c est à dire le volume compris entre les soupapes du moteur et le turbocompresseur. On réduit alors l'effet de filtrage acoustique du turbocompresseur et on peut même dans certains cas l'annuler. En conséquence. la réduction du volume du collecteur d'échappement permettant d'optimiser la récupération de l'énergie disponible dans celui-ci, et en particulier d'exploiter les bouffées de gaz d'échappement, entraine une augmentation du niveau sonore de fonctionnement de l'ensemble moteur-dispositif d'échappement inadmissible pour un véhicule de tourisme au-delà d'un certain régime du moteur et cette technique ne peut donc autre utilisée dans ces conditions pour un moteur de véhicule de tourisme. Par ailleurs, les dispositifs d'échappement de l'état de la technique comportent également une soupape de décharge et un conduit de décharge dont une extrémité est reliée au collecteur d'échappement en amont du turbocompresseur et dont l'autre extrémité est reliée à la ligne d'échappement en aval de celui ci. pour résoudre les problèmes d'emballement du turbocompresseur. Le but de l'invention est de résoudre les problèmes évoqués précédemment en proposant un dispositif d'échappement qui soit simple. fiable. d'un prix de revient peu élevé, qui permette d'assurer une exploitation optimale de l'énergie disponible au niveau du collecteur d'échappement du moteur tout en permettant un fonctionnement à un niveau sonore acceptabl-e. du moteur et du dispositif d'échappement de celui-ci. equipant notamment un véhicule de tourisme. A cet effet. l'invention a pour objet un dispositif d'échappement pour un moteur muni d'un turbocompresseur, notamment pour véhicule automobile, du type comportant un collecteur d échappement comprenant des conduits d'échappement dont chacun présente une extrémité reliée à un cylindre du moteur et une autre extrémité reliée à un conduit de sortie du collecteur. relié à la turbine du turbocompresseur pour diriger les gaz d'échappement des cylindres vers la turbine, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte de détente reliée au collecteur d'échappement par des moyens de raccordement munis de moyens d' ob- turation commandés en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur, pour améliorer ce fonctionnement. Selon un mode de réalisation, l'enceinte de détente est relié au conduit de sortie du collecteur. Selon un autre mode de réalisation, l'enceinte de détente est reliée à chacun des conduits d'échappement du collecteur par des moyens de raccordement munis de moyens d'obturation. Selon encore un autre mode de réalisation, le collecteur d'échappement comporte un conduit de décharge dont une extrémité est reliée au conduit de sortie du collecteur à travers des premiers moyens d'obturation et dont l'autre extrémité est reliée à une ligne d'échappement en aval du turbocompresseur, l'enceinte de détente étant reliée au conduit de décharge ou faisant partie de celui-ci et l'autre extrémité du conduit de décharge étant reliée à la ligne d échappement à travers des seconds moyens d'obturation commandés en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur. L invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.1 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif d'échappement selon 1' invention; - les Fig.2 et 3 représentent deux vues en coupe d'un second mode de réalisation d'un dispositif d'échappement selon l'invention; - la Fig.4 représente un diagramme de char ge/regime du moteur illustrant le fonctionnement d'une soupape de décharge et de moyens d'obturation entrant dans la constitution des premier et second modes de réalisation du dispositif d'échappement -représenté sur les Fig. 1 2 et 3; - la Fig.5 représente un troisième mode de réalisation d'un dispositif d'échappement selon l'invention; et - la Fig.6 représente un diagramme de charge/régime du moteur illustrant le fonctionnement d'une soupape de décharge et de moyens d'obturation entrant dans la constitution du dispositif d'échappement représenté sur la Fig.5. Ainsi qu'on peut le voir sur la Fig.1 , un dispositif d'échappement désigné de manière générale par la référence 1 sur cette figure, pour un moteur 2 par exemple à quatre cylindres, notamment de véhicule automobile, équipé d'un turbocompresseur 3 comporte un collecteur d'échappement désigné de façon générale par la référence 4. Ce collecteur d'échappement comprend par exemple quatre conduits d'échappement. désignés par les références 5,6,7 et 8, dont chacun présente une extrémité reliée à un cylindre du moteur. respectivement 9, 10, 11 et 12 et une autre extrémité reliée à un conduit de sortie 13 de ce collecteur. Ce conduit de sortie du collecteur est relié à la turbine 3a du turbocompresseur pour diriger les gaz d'échappement des cylindres vers cette turbine. En aval de la turbine 3a du turbocompresseur 3. est prévue une ligne d'échappement 14 reliée au reste du circuit d'échappement du véhicule. Un conduit de décharge 15 est également prévu afin de résoudre les problèmes d'emballement du turbocompresseur comme cela est connu en soi. Ce conduit de décharge présente une première extrémité raccordée au conduit de sortie 13 du collecteur d ' chappement à travers une soupape de décharge 16. tandis que l'autre extrémité de ce conduit de décharge est reliée à la ligne d'échappement 14. La soupape de décharge 16 est communément appelée "Wastegate" et permet en fonction de la charge du moteur de dériver une partie des gaz d'échappement à travers le conduit de décharge 15 directement dans la ligne d'échappement 14 en aval de la turbine 3a du turbocompresseur. car si la pression des gaz d'échappement à l'entrée de la turbine du turbocompresseur est trop importante, celui-ci risque de s'emballer, Selon l'invention. une enceinte de détente 17 est reliée au collecteur d'échappement par des moyens de raccordement munis de moyens d'obturation 18 commandés en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur, pour améliorer ce fonctionnement, Cette commande sera décrite plus en détail par la suite. Dans le mode de réalisation représenté sur cette figure t. l'enceinte de détente est reliée au conduit de sortie 13 du collecteur. Cependant, et comme on peut le voir sur les Fig.2 et 3 l'enceinte de détente, repérée par 19, peut également être reliée à chacun des conduits d'échappement portant sur ces figures respectivement les repères 20.21,22 et 23, par des moyens de raccordement munis de moyens d'obturation 24.25,26 et 27. Il est donc possible grâce à cette enceinte de détente et aux moyens d'obturation associés, de faire varier le volume de détente des gaz d'échappement à la sortie des cylindres dans le collecteur afin d'adapter celui-ci aux conditions de fonctionnement du moteur pour optimiser la récupération d'energie par le turbocompresseur et le rapport volume de détente/niveau sonore de l'ensemble moteur-dispositif d'échappement. En effet, par exemple lorsque le moteur est à bas régime, et que l'on souhaite utiliser les bouffées de gaz d'échappement à la sortie des cylindres de manière optimale, les moyens d'obturation 18 ou 24 à 27 peuvent étre commandés à la fermeture pour réduire le volume de détente du collecteur et améliorer l uti- lisation des bouffées de gaz d'échappement. tandis que lorsque le régime du moteur est supérieur à un seuil déterminé, les moyens d'obturation peuvent être ouverts de manière à augmenter le volume de detente dans la mesure où la recupération d'énergie est suffisante et réduire ainsi le niveau sonore de fonctionnement de l'ensemble moteur-dispositif d'échappement de celui-ci. Il est à noter que dans le deuxiéme mode de réalisation représenté sur les Fig.2 et 3. les diffé- rentes moyens d'obturation sont de préférence commandés simultanément. La commande des dispositifs d'obturation peut être réalisée de différentes manières et ces moyens peuvent entre constitués par des moyens électropneumatiques connus en soi, etc... Cette commande des moyens d'obturation peut être adaptée à la spécificité de chaque problème rencontré. En effet, et comme on peut le voir sur la Fig.4. les moyens d'obturation 18 ou 24 à 27 peuvent être commandés à la fermeture lorsque le régime du moteur est inférieur à un seuil déterminé et lorsque la charge du moteur est supérieure à un seuil déterminé pour réduire le volume de détente des bouffées de gaz d'échappement et donc améliorer la récupération d'énergie par le turbocompresseur et le couple de fonctionnement à bas régime du moteur. La soupape de décharge 16 est commandée de manière classique. Comme on peut le voir sur la partie haute à droite de ce diagramme. la fermeture de cette soupape est progressive. Ces moyens d obturation peuvent également être commandés à la fermeture pendant un temps prédéterminé lorsque la variation de charge du moteur est supérieure à un seuil déterminé pour améliorer le temps de réponse de celui-ci. Dans l'exemple décrit en regard de la Fig.4, les moyens d'obturation sont commandés en tout ou rien. Il va de soi que ces moyens d'obturation peuvent également être commandés de manière progressive. De façon générale. cette commande peut être adaptée pour prendre en compte les différents paramètres disponibles pour le pilotage du moteur. de façon à assurer le meilleur compromis entre la performance de celui-ci et le niveau sonore de fonctionnement de l'ensemble. Par ailleurs, 1 obturation n a pas besoin d'étire parfaite. En effet, il suffit qu'elle soit suffisante pour masquer l'effet de volume. L'enceinte de détente et plus particulièrement le volume défini par celle ci, peuvent être de forme et de capacité quelconques. Le diamètre et la longeur des moyens de raccordement de celle-ci au collecteur doivent etre tels que ce soit le volume interne de l'enceinte qui soit intégrée au volume du collecteur et non pas celui de ces moyens de raccordement, comme cela est bien connu de l'homme de l'art. Par ailleurs, pour être bien adaptée au problème. l'enceinte doit avoir une capacité qui soit par exemple au moins de l'ordre de grandeur de celle du collecteur du dispositif d'échappement. La somme du volume de l'enceinte et du volume réduit du collecteur peut être à peu prés égale au volume d'un collecteur classique de l'état de la technique non prévu pour l'exploitation optimale de l'énergie. Sur la Fig.5, on a représenté un troisième mode de réalisation d'un dispositif d'échappement selon l'invention. Celui-ci comporte toujours un collecteur dont le conduit de sortie 28 est relié à un turbocompresseur 29 et plus particulièrement à la turbine 2a de celui-ci. En aval de cette turbine, est prévue une ligne d'échappement 30. Un conduit de décharge 31 est également prévu dans ce collecteur. L'une des extrémités de ce conduit de décharge est reliée au conduit de sortie 28 du collecteur à travers des premiers moyens d'obturation constitués par exemple par une soupape 32. tandis que son autre extrémité est reliée à la ligne d'échappement 30-à travers des seconds moyens d'obturation constitués par exemple par une soupape 33. Une enceinte de détente 34 est raccordée au conduit de décharge 31. Dans ce mode de réalisation. les gaz d'échappement sortent du collecteur et entrent dans le turbocompresseur de manière connue en soi. En fonction de la charge du moteur. une partie des gaz d'échappement est dérivée de ce conduit de sortie 28 et passe de ce conduit dans la ligne d'échappement 30 à travers la soupape 32. le conduit de décharge 31 et la soupape 33. On conçoit donc que l'enceinte 34 et le conduit de décharge 31 délimitent un volume de détente utilisable en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur pour améliorer celui-ci. La commande des soupapes 32 et 33 est illustrée sur le diagramme de la Fig.6. Sur ce diagramme on voit que lorsque le régime du moteur est inférieur à un seuil déterminé et que la charge du moteur est supérieure à un seuil déterminé, la soupape 32 est fermée tandis que la soupape 33 est ouverte de manière à mettre l'enceinte de détente 34 et le conduit de décharge 31 en communication avec la ligne d'échappement 30. Par contre, lorsque la charge du moteur est inférieure au seuil déterminé ou lorsque le régime du moteur est supérieur au seuil déterminé, la soupape 32 est ouverte tandis que la soupape 33 est fermée, de manière à mettre l'enceinte de détente 34 et le conduit de décharge 31 en communication avec le conduit de sortie 28 du collecteur afin d'augmenter le volume de celui-ci. La fermeture des moyens d'obturation peut également être progressive cumme on peut le voir sur la partie haute à droite de ce diagramme pour mettre en communication le conduit de sortie 28 du collecteur et la ligne d'échappement 30. On assure ainsi la fonction remplie dans l'état de la technique par la soupape dite de décharge. Ce mode de réalisation permet d exploiter le volume de détente même dans les phases où l exploita- tion maximale des bouffées est nécessaire. Dans le mode de réalisation décrit en regard de ia Fig.5, le volume de détente est divisé en deux parties, à savoir celle définie par l'enceinte de détente 34 et celle définie par le conduit de décharge 31, mais l'enceinte de détente 34 pourrait faire partie du conduit de décharge 31. c'est à dire être confondue avec lui si celui-ci est-assez volumineux. Le dispositif d'échappement selon l'invention permet donc d'améliorer l'exploitation des bouffées de gaz d'échappement en particulier à bas régime du moteur tout en limitant le niveau sonore de fonctionnement de l'ensemble moteur-dispositif d'échappement, en particulier à régime élevé du moteur, ce qui permet d'envisager l'utilisation de ce type d optimi- sation des performances pour les moteurs de véhicule de tourisme. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échappement pour un moteur muni d un turbocompresseur (3;29) notamment pour véhicule automobile. du type comportant un collecteur d'échappement (4) comprenant des conduits d'échappement (5. 6,7,8; 20.21.22,23) dont chacun présente une extrémité reliée à un cylindre du moteur (9,10,11,12) et une autre extrémité reliée à un conduit de sortie du collecteur (13;28) relié à la turbine (3a;2Sa) du turbocompresseur (3; 2S) pour diriger les gaz d'échappement des cylindres vers la turbine. caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte de détente (17;19;34) reliée au collecteur d'échappement (4) par des moyens de raccordement munis de moyens d'obturation (18;24. 25.26.27; 32,33) commandés en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur pour améliorer ce fonctionnement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte (17) est reliée au conduit de sortie (13) du collecteur. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte (19) est reliée à chacun des conduits d'échappement (20.21.22,23) du collecteur par des moyens de raccordement munis de moyens d obturation (24.25,26.27). 4. Oispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que tous les moyens d obturation (24, 25.26.27) sont commandés simultanément. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce que les moyens d obturation (18:24.25.26,27) des moyens de raccordement sont commandés à la fermeture lorsque le régime du moteur est inférieur à un seuil prédéterminé et lorsque la charge du moteur est supérieure à un seuil prédéterminé pour améliorer le couple de celus- ci à bas régime 6. Dipositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'obturation (18;24,25,26,27) des moyens de raccordement sont commandés à la fermeture pendant un temps prédéterminé lorsque la variation de charge du moteur est supérieure à un seuil prédéterminé pour améliorer le temps de réponse de celui-ci. 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le collecteur comporte un conduit de décharge (31) dont une extrémité est reliée au conduit de sortie (28) du collecteur à travers des premiers moyens d'obturation (32) et dont l'autre extrémité est reliée à une ligne d'échappement (30) en aval du turbocompresseur (29), caractérisé en ce que l'enceinte de détente (34) est reliée au conduit de décharge (31) et en ce que l'autre extrémité du conduit de décharge (31) est reliée à la ligne d'échappement (30) à travers des seconds moyens d'obturation (33), les premiers (32) et seconds (33) moyens d'obturation étant commandés en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur pour relier le conduit de sortie (28) du collecteur à la ligne d'échappement (30) à travers le conduit de décharge (31). relier le conduit de sortie (28) du collecteur au conduit de décharge (31) et à l'enceinte de détente (34), ou relier l'enceinte de détente (34) et le conduit de décharge (31) à la ligne d'échappement (30). 8. Dispositif selon la revendication 7. caractérisé en ce que l'enceinte de détente (34) fait partie du conduit de décharge (31).