Brevet FR2689180A1 — publié le 19931001

La présente invention concerne un dispositif de suralimentation d'un moteur à combustion interne comprenant un compresseur d'air entraîné mécaniquement et un turbo-compresseur dont la turbine est actionnée par les gaz d'échappement du moteur, lesdits compresseurs étant reliés au circuit d'alimentation de ce moteur. Dans la majorité des dispositifs de suralimentation actuellement mis en oeuvre sur les moteurs à combustion interne, le compresseur est constitué sous la forme d'un turbocompresseur dont la turbine est entraînée par les gaz d'échappement du moteur, et dont le compresseur alimente en air l'aspiration du moteur. Dans les zones de fonctionnement du moteur correspondant à une puissance et à un régime de rotation élevés, et selon les adaptations, l'énergie disponible dans les gaz d'échappement permet d'entraîner la turbine du turbocompresseur à une vitesse suffisante pour suralimenter suffisamment le moteur et autoriser de brusques accélérations. En revanche, à basse vitesse et/ou à basse charge du moteur, l'énergie disponible dans les gaz d'échappement est insuffisante pour autoriser de brusques accélérations. Cela se traduit par une limitation de la puissance disponible et par un retard à l'accélération. En outre, dans le cas particulier des moteurs à allumage par compression, ce manque reIatif d'air, à bas régime ou à basse charge, se traduit par une émission fortement accrue des polluants gazeux et également des particules solides ou suies issues de la combustion. Par ailleurs, il est connu et décrit, par exemple dans la demande de brevet GB-A-144322, de suralimenter un moteur à combustion interne par un dispositif comprenant un compresseur d'air qui est entraîné par l'arbre de sortie du moteur et dont le conduit de refoulement est relié au circuit d'alimentation dudit moteur. Un tel système comportant un compresseur mécanique entraîné par le moteur lui-même n'a pas les inconvénients décrits ci-avant, dans le cas de l'emploi d'un turbocompresseur, mais en revanche, compte tenu de l'énergie prélevée en permanence sur l'arbre moteur par le compresseur, le rendement de l'ensemble sera forcément moins favorable que le dispositif selon l'invention. I1 est également connu et décrit, par exemple dans le brevet français FR-B-2491996 au nom de la demanderesse, de suralimenter un moteur à combustion interne et à allumage commandé par un système permettant une brusque accélération en particulier aux bas régimes. Ce système comporte un compresseur mécanique associé à un turbo-compresseur, ledit système mécanique permettant un apport d'énergie supplémentaire à la turbine du turbo-compresseur, cette énergie étant disponible pour assurer le fonctionnement du turbo-compresseur à une vitesse suffisante pour permettre en principe de brusques accélérations. Un tel système ne permettrait cependant pas de résoudre correctement, dans le cas d'un moteur à allumage par compression, les problèmes de pollution évoqués ci-avant.De plus, ce système consomme pratiquement en permanence de l'énergie prélevée sur le moteur, ce qui diminue le rendement de l'ensemble. La présente invention concerne un dispositif de suralimentation, d'un moteur à combustion interne, qui permet, en particulier dans sa forme préférée de réalisation, et ce aussi bien dans le cas de son utilisation en liaison avec un moteur à allumage commandé, que dans celui de sa mise en oeuvre en liaison avec un moteur à allumage par compression, d'éviter largement les inconvénients liés à l'emploi des systèmes décrits et mis en oeuvre antérieurement. Ce dispositif est particulièrement applicable aux moteurs à allumage par compression de type Diesel. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de suralimentation d'un moteur à combustion interne équipé d'au moins un turbo-compresseur et d'au moins un compresseur mécanique d'air entraîné par des moyens moteurs, lesdits compresseurs étant chacun reliés au circuit d'alimentation dudit moteur caractérisé en ce que lesdits turbo-compresseurs et lesdits compresseurs mécaniques sont disposés en parallèle sur le circuit d'alimentation, et en ce que le compresseur mécanique est mis en service par l'intermédiaire d'un système embrayable-débrayable. Le compresseur mécanique utilisé dans le cadre du dispositif de l'invention est le plus souvent choisi dans le groupe formé par les compresseurs volumétriques et les compresseurs centrifuges. Ce compresseur mécanique est habituellement entraîné par un moyen moteur choisi dans le groupe formé par le moteur lui-même, un organe tournant auxiliaire du moteur et un moteur auxiliaire de préférence électrique. L'organe tournant du moteur peut être par exemple un arbre entraîné par la distribution du moteur. Dans le cas de l'emploi d'un moteur auxiliaire électrique, celui-ci comportera de préférence des moyens de réglage de la vitesse de rotation du compresseur mécanique et sera de préférence alimenté en énergie par des éléments auxiliaires associés au moteur. Dans sa forme de réalisation préférée, l'invention permet de limiter au maximum les inconvénients inhérents à chacun des deux systèmes de compression. Bien que tous les systèmes embrayable-débrayables puissent être utilisés on préfère le plus souvent utiliser comme système embrayable-débrayable un embrayage électromagnétique ayant de préférence un temps de réponse inférieur à environ 0,1 seconde. Cet embrayage est habituellement commandé électriquement ce qui autorise une commande aisée par une unité de contrôle électronique. L'embrayage de type électromagnétique est préférentiellement choisi pour sa compacité, sa simplicité de commande, son temps de réponse très court et sa durée de vie. Ainsi la mise en service du compresseur mécanique par l'intermédiaire du système embrayable-débrayable peut être commandé électroniquement par un système programmable à partir de l'acquisition d'au moins un paramètre moteur choisi de préférence dans le groupe formé par le régime du moteur, la variation de la commande d'accélération du moteur et la variation de la pression de suralimentation du moteur. D'autres détails et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui fait suite, en référence aux dessins annexés selon lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un exemple de moteur à combustion interne équipé du dispositif de suralimentation de la présente invention. - la figure 2 montre des courbes définies par le couple moteur en fonction du régime du moteur, pour différents types de régimes. Selon la figure 1, le moteur 1 comporte quatre cylindres A, B, C et D et son alimentation en comburant du moteur 1 est assurée à partir d'une pipe d'admission 8 à travers un filtre 6: - d'une part via une conduite 17, un turbo-compresseur 2 et une conduite 19 en aval du turbo-compresseur 2, la conduite 19 pouvant comporter un clapet anti retour 9, - et d'autre part via une conduite 18, un compresseur mécanique 3 et une conduite 20 en sortie du compresseur 3, la conduite 20 pouvant comporter un clapet anti retour 10. Les conduites 19 et 20 se rejoignent pour former une conduite commune 21 en amont du collecteur d'admission 5 à partir duquel partent les différentes pipes d'admission 16a, 16b, 16c et 16d de chacun des cylindres. Le compresseur 3 est entraîné par l'intermédiaire d'un embrayage 11 relié à l'arbre 12 du moteur 1 par une transmission comportant une poulie 14 reliée à la poulie 13 fixée sur l'arbre 12 par une courroie de transmission 22. Selon le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 1, le moteur 1 comporte quatre injecteurs de combustible 4a, 4b, 4c et 4d débouchant directement dans chacun des cylindres. I1 comporte également sur chaque cylindre une pipe d'échappement l5a, 15b, 15c et l5d reliée chacune à un collecteur d'échappement 24 puis au turbo-compresseur 2 et à l'échappement général 23. On a schématisé sur la figure 1 trois systèmes 7a, 7b et 7c de refroidissement du comburant avant son admission dans le collecteur d'admission 5. Un premier système de refroidissement 7a peut être placé sur la conduite 19, un deuxième système 7b peut être disposé sur la conduite 20, tandis qu'un troisième système 7c peut équiper la conduite commune 21. Ces systèmes peuvent être présents simultanément ou non. On peut donc avoir zéro, un, deux ou trois systèmes de refroidissement. Une figure schématisant un moteur à allumage commandé et à injection de carburant, utilisant le dispositif de suralimentation de la présente invention, serait identique à la figure 1 à l'exception de la position des injecteurs de carburant 4a, 4b, 4c et 4d qui déboucheraient non pas dans les cylindres mais dans les pipes d'admission 16a, 16b, 16c et 16d de chacun des cylindres. Dans le cadre de l'utilisation du dispositif selon l'invention, le compresseur mécanique est habituellement mis en service, soit lorsque l'on souhaite augmenter la puissance du moteur en gardant sensiblement constant le rapport comburant/combustible, soit lorsque l'on souhaite modifier le rapport comburant/combustible notamment en vue d'améliorer la combustion. Ainsi, le compresseur mécanique 3 peut être embrayé très rapidement dès qu'une accélération est demandée, puis débrayé dès que le régime est stabilisé ou la pression d'admission suffisante. Selon une autre utilisation conforme à l'invention, le compresseur mécanique 3 peut aussi être embrayé en permanence à bas régime, ce qui permettra d'utiliser le turbo-compresseur 2 de façon mieux adaptée à haut régime. De façon particulière, deux exemples d'utilisation de l'invention sont donnés maintenant, en relation avec la figure 2. Comme il a été énoncé, sur cette figure apparaissent des courbes définies par le couple-moteur maximum CO en fonction du régime Re. Selon un premier exemple, un moteur diesel suralimenté par turbo compresseur 2 a une courbe A (représentée en trait plein) de couple maximum Cg en fonction du régime de rotation Re, à partir du régime de ralenti R1 jusqu'à un régime nominal R3 en passant par un régime R2 de couple maximum. Cette courbe A est réalisée en régime stabilisé. En revanche, lorsqu'une accélértion rapide du régime moteur est demandée, compte tenu du temps de réponse du turbo-compresseur, la courbe maximum de couple pouvant être atteinte par le moteur est la courbe B représentée en pointillés. L'adoption d'un compresseur mécanique 3 suivant la présente invention a pour but de faire coïncider au maximum la courbe B sur la courbe A. Pour cela, le compresseur mécanique 3 est embrayé dès qu'une demande d'accélération du régime moteur est détectée par un capteur approprié, par exemple un capteur de vitesse ou un capteur sur la commande d'accélération. Le compresseur mécanique 3 fournit alors au moteur Ia quantité d'air nécessaire en lieu et place du turbo compresseur 2. Dans ce cas la combustion s'effectue avec un rapport air/combustible comparable à celui d'un état stabilisé, avec deux conséquences : un couple plus important et une réduction importante des polluants gazeux, des particules, et de fumées. Ceci est particulièrement avantageux lorsque le moteur sert à la traction d'un véhicule, notamment, de poids lourd pour Iesquels la réglementation Européenne en matière de pollution est sévère. Lorsque l'accélération est terminée, ou que la pression atteinte par le turbo compresseur 2 est égale à celle fournie par le compresseur mécanique 3, alors le système de commande (non représenté) fait débrayer le compresseur mécanique 3 afin de ne pas détériorer le rendement du moteur. Comme le montre la figure 2, entre les régimes R1 et R2, la courbe de couple est limitée par la courbe A en régime stabilisé. Cette limite est habituellement dûe à un manque d'air à bas régime et donc un rapport air/combustible insuffisant ( La présente invention permet de pallier à cet inconvénient par la présence du compresseur 3 qui réalise notamment à bas régime un ajout d'air immédiat et suffisant. Ainsi, selon un deuxième exemple d'utilisation de l'invention, l'adoption d'un compresseur mécanique permet d'améliorer la courbe A jusqu'à la courbe C. Pour cela il suffit d'embrayer le compresseur mécanique 3 à bas régime soit par exemple lorsque le régime du moteur est égal à la valeur R1, et de régler le système d'injection, de façon à fournir le débit de combustible correspondant. On obtient ainsi la courbe C en traits mixtes, avec un couple maximum obtenu au régime R'2 inférieur au régime R2 correspondant au couple maximum obtenu en fonctionnement stabilisé (courbe A). Cette caractéristique améliore la conduite du véhicule. En outre, dans le cas d'un démarrage à froid du moteur on peut, au cours de la phase de démarrage, mettre en service le compresseur mécanique afin de réchauffer l'air comburant et ainsi faciliter le démarrage du moteur et réduire les polluants gazeux et les particules solides émises à l'échappement au cours de cette phase. Bien entendu d'autres adjonctions et/ou modifications pourront être faites, par l'homme du métier, au dispositif décrit ci-avant sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1- Dispositif de suralimentation d'un moteur (1) à combustion interne équipé d'au moins un turbo-compresseur (2) et d'au moins un compresseur mécanique d'air (3) entraîné par des moyens moteurs, lesdits compresseurs étant chacun relié au circuit d'alimentation dudit moteur caractérisé en ce que lesdits turbo-compresseurs et lesdits compresseurs mécaniques sont disposés en parallèles sur le circuit d'alimentation, et en ce que le compresseur mécanique est mis en service par l'intermédiaire d'un système embrayable-débrayable (11). 2- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le compresseur mécanique est mis en service par l'intermédiaire d'un embrayage électromagnétique (11). 3- Dispositif selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le système embrayabledébrayable est un système ayant un temps de réponse inférieur à environ 0,1 seconde. 4- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le compresseur mécanique est choisi dans le groupe formé par les compresseurs volumétriques et les compresseurs centrifuges. 5- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le moyen moteur entraînant le compresseur mécanique est choisi dans le groupe formé par le moteur (1) lui-même, un organe tournant auxiliaire du moteur (1) et un moteur auxiliaire de préférence électrique. 6- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le moyen moteur est un moteur auxiliaire électrique comportant des moyens de réglage de la vitesse de rotation du compresseur mécanique et alimenté en énergie par des éléments auxiliaires associés au moteur (I). 7- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le compresseur mécanique est embrayé lorsque l'on souhaite augmenter la puissance du moteur en gardant sensiblement constant le rapport comburant/combustible. 8- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le compresseur mécanique est embrayé lorsque l'on souhaite modifier le rapport comburant/combustible notamment en vue d'améliorer la combustion. 9- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le compresseur mécanique est embrayé durant la phase de démarrage. 10- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel la mise en service du compresseur mécanique, par l'intermédiaire du système embrayable-débrayable, est commandée électriquement par un système électronique programmable à partir de l'acquisition d'au moins un paramètre moteur choisi de préférence dans le groupe formé par le régime du moteur, la variation de la commande d'accélération du moteur et la variation de la pression de suralimentation du moteur. 11- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est utilisé dans un moteur à allumage par compression.