Brevet FR2689179A1 — publié le 19931001

L'invention concerne un moteur à combustion in- terne à suralimentation combinée, comportant une turbine chargée par des gaz d'échappement et qui entraîne un com- presseur monté dans une conduite d'aspiration, un surali- mentateur entraîné mécaniquement, disposé en aval du com- presseur dans la conduite d'aspiration et raccordé par l'intermédiaire d'un dispositif d'accouplement, et compor- tant une conduite de dérivation contournant le suralimenta- teur entraîné mécaniquement et dans laquelle est disposé un dispositif de régulation du courant d'air de dérivation, un capteur de la vitesse de rotation servant à détecter la vi- tesse de rotation du moteur, un capteur de charge servant à détecter la charge du moteur et un dispositif de régulation servant à régler le dispositif d'accouplement et le dispo- sitif de régulation du courant d'air de dérivation. D'après la demande de brevet allemand publiée sous le N 036 36 642, on connaît un moteur à combustion in- terne comportant un turbocompresseur à gaz d'échappement et un suralimentateur entraîné mécaniquement par le moteur au moyen d'un dispositif d'accouplement, et il est prévu une conduite de dérivation qui contourne le suralimentateur méca- nique et dans laquelle est placée une soupape de dériva- tion Pour une charge élevée et une vitesse de rotation faible du moteur, le suralimentateur mécanique est entraîné auquel cas la soupape de dérivation est fermée Au contraire, le suralimentateur mécanique est arrêté pour une vitesse de rotation élevée du moteur ou pour une faible vi- tesse de rotation du moteur et une faible charge du moteur, par débrayage du dispositif d'accouplement La soupape de dérivation est progressivement ouverte dans la zone de transition entre les différents états de fonctionnement, en fonction de paramètres de fonctionnement. Ce dispositif présente l'inconvénient consistant en ce que, lors de l'accouplement du suralimentateur méca- nique, en raison de l'inertie de masse élevée de ce surali- mentateur mécanique et en raison de sa puissance d'en- traînement appliquée immédiatement, des moments d'accouplement très intenses sont transmis Ces pointes de puissance de brève durée conduisent à l'application d'une contrainte excessive à l'accouplement de séparation ou re- quièrent un volume de construction très important Ceci en- traîne l'apparition d'hystérésis de commutation lorsque par exemple à nouveau une pression de suralimentation est re- quise à partir du suralimentateur mécanique, à partir de vi- tesses de rotation élevées du moteur, après le fonctionne- ment en poussée. L'invention a pour but de créer un moteur à com- bustion interne à suralimentation combinée, dont le système de suralimentation garantisse une réponse aussi rapide que possible et immédiate à des variations de la charge du mo- teur, moyennant un rendement simultanément élevé dans toutes les gammes de fonctionnement. Ce problème est résolu conformément à l'invention grâce au fait qu'il est prévu un capteur de pression ser- vant à détecter la pression de l'air de suralimentation, que l'élément d'accouplement possède un dispositif qui mo- difie la vitesse de rotation et au moyen duquel la vitesse de rotation côté mené, transmise à l'arbre d'entraînement, du suralimentateur entraîné mécaniquement peut être modifiée progressivement entre une vitesse de rotation maximale et une vitesse de rotation minimale, et que la pression de l'air de suralimentation est réglée par le dispositif de surali- mentation, par l'intermédiaire du dispositif de régulation du courant d'air de dérivation et au moyen de la vitesse de rotation côté entraîné, transmise par le dispositif, qui modifie la vitesse de rotation, à l'arbre d'entraînement accouplé au suralimentateur entraîné mécaniquement, en fonc- tion de la vitesse de rotation du moteur et de la charge du moteur, à une valeur de consigne prédéterminée. Étant donné que, dans un turbocompresseur à gaz d'échappement il n'existe qu'un accouplement, dynamique en fonction des gaz, avec le moteur à combustion interne, la pression obtenue de suralimentation diminue dans les gammes des vitesses de rotation et des charges inférieures Dans le cas d'un saut à pleine charge du moteur, la montée de la pression de suralimentation du turbocompresseur à gaz d'échappement suit ce phénomène avec un certain retard. Ceci conduit à une réponse retardée du moteur et notamment, dans le cas de moteurs Diesel, à une émission de suie ac- crue. Dans le cas du suralimentateur entraîné mécanique- ment, en raison de son accouplement fixe au moteur à com- bustion interne, une pression suffisamment élevée de sur- alimentation peut être établie presque immédiatement, éga- lement dans la gamme des faibles vitesses de rota- tion du moteur Pour la production de la pression de suralimentation, il faut que la puissance d'entraînement soit fournie par le moteur à combustion interne De ce fait, par rapport à un moteur chargé par un turbocompres- seur à gaz d'échappement, on obtient, avec une puissance de suralimentation croissante, des consommations spécifiques de carburant de plus en plus élevées. Sous l'effet de la suralimentation combinée, on peut obtenir une pression de suralimentation relativement élevée déjà pour de faibles vitesses de rotation du moteur. On peut obtenir une bonne capacité d'accélération du moteur sans émission de suie excessive Pour la pleine charge et dans la gamme des charges partielles supérieures, le dépla- cement s'effectue avec une consommation de carburant spéci- fique plus avantageuse. En raison du branchement aval du suralimentateur entraîné mécaniquement, le comportement en régime élevé du turbocompresseur à gaz d'échappement est en outre amélioré étant donné que l'air aspiré par le suralimentateur entraîné mécaniquement fournit une énergie cinétique, en tant qu'énergie d'apport pour la réduction statique de pression existante dans le compresseur. L'utilisation d'un dispositif d'accouplement ré- glable progressivement fournit l'avantage consistant en ce que la charge mécanique du suralimentateur entraîné mécani- quement, qui est en permanence en prise, est réduite grâce à des vitesses de rotation en permanence élevées du surali- mentateur dans le fonctionnement à circulation d'air, ainsi que sa puissance de frottement et son émission de bruit, qui dépendent de la vitesse de rotation En outre, la pres- sion d'air de suralimentation peut de ce fait être optimi- sée sur toute la gamme de fonctionnement et par conséquent le rendement du moteur peut être amélioré. Selon une variante de réalisation de l'invention, la vitesse de rotation côté mené de l'arbre d'entraînement est accrue uniquement lorsque le dispositif de régulation du courant d'air de dérivation est complètement ouvert. Cette forme de réalisation présente l'avantage consistant en ce que le suralimentateur entraîné mécaniquement peut être amené à sa vitesse de rotation de service, tout en réali- sant une absorption minimale de puissance. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, pour réduire la puissance absorbée par le suralimentateur en- traîné mécaniquement, on augmente tout d'abord le courant d'air de dérivation et, uniquement lorsque le dispositif de régulation du courant d'air de dérivation est complètement ouvert, on réduit la vitesse de rotation côté mené de l'arbre d'entraînement; pour augmenter la puissance d'entraînement du suralimentateur entraîné mécaniquement, on augmente tout d'abord la vitesse de rotation côté mené de l'arbre d'entraînement et, uniquement lorsque la vitesse de rotation maximale est atteinte, on réduit le degré d'ouverture du dispositif de régulation du courant d'air de dérivation; lorsque le moteur à combustion interne marche au ralenti, la vitesse de rotation maximale de l'arbre d'entraînement est réglée dans le dispositif qui modifie la vitesse de rotation, et le dispositif de régulation du cou- rant d'air de dérivation est complètement ouvert Conformé- ment à ces réalisations, le suralimentateur entraîné mécani- quement fonctionne avec une vitesse de rotation d'entraînement qui se situe dans sa gamme de fonctionnement la plus élevée possible de sorte que dans le cas d'un chan- gement de charge spontané, la pression nécessaire de l'air de suralimentation est immédiatement disponible sous l'effet de la fermeture de la soupape de dérivation. Pour accroître l'effet de freinage du moteur, le suralimentateur entraîné mécaniquement fonctionne, dans le cas du foncctionnement en poussée du moteur, avec sa vi- tesse de rotation maximale alors que la soupape de dériva- tion est fermée En outre, par conséquent, dans le cas d'un passage brusque à un état de charge, on dispose immédiate- ment d'une pression de suralimentation suffisante. Selon une autre variante de l'invention, le dis- positif, qui modifie la vitesse de rotation, est disposé du côté d'un élément de transmission de force, qui réalise un accouplement avec le moteur à combustion interne et pos- sède la vitesse de rotation la plus élevée Dans cette forme de réalisation, grâce au montage particulier du dis- positif modifiant la vitesse de rotation, on dispose de la plus faible charge en couple et de la vitesse de rotation différentielle maximale entre le côté entraîné et le côté mené du dispositif qui modifie la vitesse de rotation. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif, qui modifie la vitesse de rotation, est réa- lisé sous la forme d'un convertisseur de réglage présentant un glissement réglable progressivement. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif, qui modifie la vitesse de rotation, est réa- lisé sous la forme d'un mécanisme de réglage progressif. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence au dessin annexé, dont la figure unique représente le schéma de principe d'un moteur à com- bustion interne conforme à l'invention. La figure représente un moteur à combustion in- terne 1, dans le conduit 2 des gaz d'échappement duquel est montée une turbine 3 d'un turbocompresseur à gaz d'échappement désigné dans son ensemble par la référence 4. La turbine 3 entraîne un compresseur 6 qui est monté dans un conduit d'aspiration 5 du moteur à combustion interne 1. Un suralimentateur 7 entraîné mécaniquement est disposé dans le conduit d'aspiration 5 en aval du compresseur 6 Dans un conduit de dérivation 8 qui contourne le suralimentateur 7 entraîné mécaniquement, il est prévu un dispositif 9 de ré- gulation de l'air de dérivation, qui est agencé sous la forme d'un tiroir de recirculation d'air et à l'aide duquel le courant d'air de dérivation peut être commandé Le sur- alimentateur 7 entraîné mécaniquement est raccordé mécanique- ment au moteur à combustion interne 1 par l'intermédiaire d'un élément d'accouplement désigné globalement par la ré- férence 10 L'élément d'accouplement 10 est constitué par un arbre commun d'entraînement 11, qui relie le suralimenta- teur 7 entraîné mécaniquement et le dispositif 12 qui modi- fie la vitesse de rotation et qui est agencé sous la forme d'un convertisseur de réglage à glissement variable s, ainsi que par un élément de transmission de force 13 réa- lisé sous la forme d'un dispositif d'entraînement à cour- roie et qui est raccordé mécaniquement au moteur à combus- tion interne 1 Le glissement S du convertisseur de réglage 12 est défini par S = 1 nab/nan, nan représentant la vi- tesse de rotation d'entraînement transmise par le disposi- tif d'entraînement à courroie 13 au convertisseur de ré- glage 12, et nab la vitesse de rotation côté mené, qui est transmise par le convertisseur de réglage 12 à l'arbre d'entraînement 11 Le glissement S du convertisseur de ré- glage 12 et le degré d'ouverture a du tiroir de recircula- tion d'air 9 sont réglés par un dispositif de régulation 14 Comme grandeurs d'entrée, le dispositif de régulation 14 reçoit la charge L du moteur, la vitesse de rotation n du moteur et la pression PL de l'air de suralimentation en- voyée au moteur à combustion interne 1 En fonction des grandeurs d'entrée, le glissement S et le degré d'ouverture a du tiroir de recirculation d'air 9 sont réglés par le dispositif de régulation 14, par l'intermédiaire de lignes de commande 15, 16, de sorte que la pression mesurée PL de l'air de suralimentation est réglée à une valeur de consigne Pconsigne prédéterminée dans le dispositif de ré- gulation 14. Grâce à la possibilité de réglage du glissement s du convertisseur de réglage 12, la vitesse de rotation côté mené nab du convertisseur de réglage 12, qui est transmise à l'arbre d'entraînement 11, peut être réglée progressive- ment de sorte que la vitesse de rotation du suralimentateur 7 entraîné mécaniquement peut être réglée, d'une manière va- riab le, dans le cas d'un accouplement permanent du système d'entraînement, entre une vitesse de rotation maximale nmax' qui dépend de la vitesse de rotation N du moteur et de la transmission du dispositif d'entraînement à courroie 13, et une vitesse de rotation minimale nmin, par exemple nmin = , qui dépend du glissement S du convertisseur de réglage 12. Le suralimentateur 7 entraîné mécaniquement est réalisé de préférence sous la forme d'un suralimentateur à refoulement Comme cela est conditionné par leur fonction- nement, les suralimentateurs à refoulement travaillent sans compression interne, c'est-à-dire qu'il ne se produit aucun accroissement de la pression de l'air dans le compresseur. Au lieu de cela, l'air aspiré est refoulé du côté aspira- tion au côté refoulement et y est comprimé uniquement contre le moteur à combustion interne qui agit en tant que dispositif d'étranglement Si le côté aspiration et le côté refoulement sont raccordés l'un à l'autre par un conduit de dérivation 8, l'énergie d'entraînement fournie par le char- geur mécanique 7 correspond approximativement aux pertes internes par frottement dans le suralimentateur. Si on fait fonctionner le moteur à combustion in- terne 1 à vide, le glissement S du convertisseur de réglage 12 est réglé à S = 0, c'est-à-dire sur la vitesse de rota- tion maximale nmax du suralimentateur 7 entraîné mécanique- ment Le tiroir de recirculation d'air 9 est ouvert complè- tement de sorte que pour l'essentiel seules des pertes par frottement apparaissent dans le suralimentateur 7 entraîné mécaniquement Dans le cas d'un accroissement brusque de la charge, le tiroir de circulation d'air 9 est fermé de sorte qu'immédiatement une pression suffisante PL de l'air de suralimentation est disponible. Lorsque la vitesse de rotation N du moteur aug- mente, la régulation de la pression de l'air de suralimen- tation est tout d'abord réalisée par ouverture du tiroir de recirculation d'air 9 C'est uniquement lorsque le tiroir de recirculation d'air 9 est complètement ouvert et que la pression PL de l'air de suralimentation augmente lorsque la vitesse de rotation N du moteur augmente, ce qui est condi- tionné par le turbocompresseur à gaz d'échappement 4 monté en série, la vitesse de rotation côté mené nab de l'arbre d'entraînement 11 est réduite dans le convertisseur de ré- glage 12, sous l'effet d'un accroissement du glissement de vitesse et de ce fait la vitesse de rotation du suralimen- teur 7 entraîné mécaniquement est réduite Ceci conduit à une réduction de la charge mécanique pour le moteur à com- bustion interne 1 et pour le suralimentateur 7 entraîné méca- niquement. On peut régler des valeurs pour le glissement at- teignant jusqu'à S = 1, c'est-à-dire que la vitesse de ro- tation de l'arbre d'entraînement Il est 0 Le turbocompres- seur à gaz d'échappement 4 délivre alors une pression PL de l'air de suralimentation, qui se règle en fonction d'un équilibre de fonctionnement. A partir d'une vitesse de rotation N élevée du moteur, lorsque cette vitesse de rotation N diminue conti- nûment, le tiroir de recirculation d'air 9 reste tout d'abord ouvert complètement et le glissement S diminue continûment, jusqu'à S = 0 De ce fait, le suralimentateur 7 entraîné mécaniquement s'écarte de sa vitesse de rotation de service au-dessous d'un minimum de puissance absorbée. Lorsque la vitesse de rotation N du moteur continue à dimi- nuer, la pression nécessaire PL de l'air de suralimentation est compensée par une fermeture continue du tiroir de re- circulation d'air 9, ce qui est conditionné par une réduc- tion de la pression PL de l'air de suralimentation au ni- veau du turbocompresseur à gaz d'échappement 4. Lorsque le moteur à combustion interne 1 fonc- tionne en poussée, le turbocompresseur à gaz d'échappement 4 ne produit qu'une faible pression d'air de suralimenta- tion PL En particulier, dans le cas du moteur Diesel d'un véhicule utilitaire, qui comporte un clapet des gaz d'échappement ou un dispositif d'étranglement constant, peut être fortement accru Ceci se produit sous l'effet du réglage du glissement S du convertisseur de réglage 12 à S e O et par la fermeture du tiroir de recirculation d'air 9 En fonction de sa vitesse de rotation de service, le suralimentateur 7 entraîné mécaniquement délivre un air de suralimentation supplémentaire L'effet de freinage du mo- teur est en outre accru par la puissance d'entraînement qui est produite par le suralimentateur 7 entraîné mécaniquement. En outre, dans le cas d'un passage brusque au fonctionne- ment en charge, on dispose immédiatement d'une pression suffisante PL de l'air de suralimentation. Comme dispositif d'accouplement 10 entre le mo- teur à combustion interne 1 et le suralimentateur 7 entraîné mécaniquement, on peut naturellement utiliser, en dehors du convertisseur de réglage 12 décrit plus haut et possé- dant un glissement variable s, également un mécanisme de réglage avec un rapport de transmission modifiable progres-5 sivement, ou un dispositif correspondant qui modifie la vi- tesse de rotation En outre, à la place du tiroir de recir- culation d'air 9, on peut également prévoir une soupape de commande de recirculation d'air. il REVENDICATIONS 1 Moteur à combustion interne comportant une turbine chargée par des gaz d'échappement et qui entraîne -un compresseur monté dans une conduite d'aspiration, un suralimentateur entraîné mécaniquement, disposé en aval du compresseur dans la conduite d'aspiration et raccordé par l'intermédiaire d'un dispositif d'accouplement, et compor- tant une conduite de dérivation contournant le suralimenta- teur entraîné mécaniquement et dans laquelle est disposé un dispositif de régulation du courant d'air de dérivation, un capteur de la vitesse de rotation servant à détecter la vi- tesse de rotation du moteur, un capteur de charge servant à détecter la charge du moteur et un dispositif de régulation servant à régler le dispositif d'accouplement et le dispo- sitif de régulation du courant d'air de dérivation, carac- térisé en ce qu'il est prévu un capteur de pression servant à détec- ter la pression (PL) de l'air de suralimentation, que l'élément d'accouplement ( 10) possède un dispositif ( 12) qui modifie la vitesse de rotation et au moyen du- quel la vitesse de rotation côté mené (nab), transmise à l'arbre d'entraînement ( 11), du suralimentateur ( 7) en- traîné mécaniquement peut être modifiée progressivement entre une vitesse de rotation maximale (nmax) et une vi- tesse de rotation minimale (nmin), et que la pression (PL) de l'air de suralimentation est ré- glée par le dispositif de suralimentation ( 4), par l'intermédiaire du dispositif ( 9) de régulation du cou- rant d'air de dérivation et au moyen de la vitesse de rotation côté mené (nab), transmise par le dispositif ( 12) qui modifie la vitesse de rotation, à l'arbre d'entraînement ( 11) accouplé au suralimentateur ( 7) en- traîné mécaniquement, en fonction de la vitesse de rota- tion (n) du moteur et de la charge (L) du moteur, à une valeur de consigne prédéterminée (Pconsigne)> 2 Moteur à combustion interne selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la vitesse de rotation côté mené (nab) de l'arbre d'entraînement ( 11) est accrue uni- quement lorsque le dispositif ( 9) de régulation du courant d'air de dérivation est complètement ouvert. 3 Moteur à combustion interne selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que pour réduire la puissance absorbée par le suralimentateur ( 7) entraîné mécaniquement, on augmente tout d'abord le courant d'air de dérivation et, uniquement lorsque le dispositif ( 9) de régulation du cou- rant d'air de dérivation est complètement ouvert, on réduit la vitesse de rotation côté mené (nab) de l'arbre d'entraînement ( 11). 4 Moteur à combustion interne selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que pour augmenter la puissance d'entraînement du suralimentateur ( 7) entraîné mécanique- ment, on augmente tout d'abord la vitesse de rotation côté mené (nab) de l'arbre d'entraînement ( 11) et, uniquement lorsque la vitesse de rotation maximale (nmax) est at- teinte, on réduit le degré d'ouverture (a) du dispositif ( 9) de régulation du courant d'air de dérivation. Moteur à combustion interne suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que, lorsque le moteur à com- bustion interne ( 1) marche au ralenti, la vitesse de rota- tion maximale (nmax) de l'arbre d'entraînement ( 11) est ré- glée dans le dispositif ( 12) qui modifie la vitesse de ro- tation, et le dispositif ( 9) de régulation du courant d'air de dérivation est complètement ouvert. 6 Moteur à combustion interne selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que, lorsque le moteur à com- bustion interne ( 1) fonctionne en poussée, la vitesse de rotation maximale (nmax) de l'arbre d'entraînement ( 11) est réglée dans le dispositif ( 12) qui modifie la vitesse de rotation, et le dispositif ( 9) de régulation du courant d'air de dérivation est fermé. 7 Moteur à combustion interne selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le dispositif ( 12), qui mo- difie la vitesse de rotation, est disposé du côté d'un élé- ment de transmission de force ( 13), qui est réalise un ac- couplement avec le moteur à combustion interne ( 1) et pos- sède la vitesse de rotation la plus élevée. 8 Moteur à combustion interne selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le dispositif ( 12), qui mo- difie la vitesse de rotation, est réalisé sous la forme d'un convertisseur de réglage présentant un glissement (s) réglable progressivement. 9 Moteur à combustion interne selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le dispositif ( 12), qui mo- difie la vitesse de rotation, est réalisé sous la forme d'un mécanisme de réglage progressif.