Brevet FR2744491A1 — publié le 19970808

i L'invention concerne un système de recyclage de gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne, comprenant un premier turbocompresseur à gaz d'échappement, possédant une turbine à gaz d'échappement et un compresseur d'air de sur- alimentation, ainsi qu'un conduit d'échappement et un conduit d'air de suralimentation, système dans lequel une canalisation de recyclage de gaz d'échappement relie le conduit d'échappement en amont de la turbine à gaz d'échappement au conduit d'air de suralimentation en aval du compresseur d'air de suralimentation, et dans lequel la quantité de gaz d'échappement s'écoulant à travers la canalisation de recyclage de gaz d'échappement est réglable par un dispositif de réglage de débit. Par le document DE 42 35 794 C1, on connaît déjà un moteur à combustion interne suralimenté comprenant un turbocompresseur à gaz d'échappement qui possède une turbine à gaz d'échappement et un compresseur d'air de suralimentation. Une canalisation de recyclage de gaz d'échappement relie un conduit d'échappement du moteur en amont de la turbine à un conduit d'air de suralimentation en aval du compresseur, le conduit d'air de suralimentation contenant un dispositif de réglage de débit - comportant un injecteur et un volet d'étranglement - par lequel peut être réglée la quantité de gaz d'échappement recyclé à travers la canalisation de recyclage vers le côté admission du moteur à combustion interne. Pour ce qui concerne l'arrière-plan technique général, on peut se reporter également aux documents DE 34 20 015 A1, DE 44 29 232 C1 et WO 91/18192. Un problème posé par la réalisation d'un système de recyclage de gaz d'échappement à faibles pertes dans tout le régime de fonctionnement d'un moteur à combustion interne suralimenté est que le niveau de la pression de suralimentation côté air est plus élevé que le niveau de la pression des gaz d'échappement côté échappement du moteur, surtout dans les parties moyenne et supérieure de la plage de charge du moteur. Dans ces parties de la plage de charge, la différence de pression entre le côté air et le côté échappement du moteur n'est donc pas disponible dans le sens désiré pour le recyclage de gaz d'échappement. Le but de l'invention est de réaliser un système de recyclage de gaz d'échappement ayant aussi peu de pertes que possible pour un moteur à combustion interne suralimenté, du type générique indiqué au début, de manière que, dans tout le régime de fonctionnement du moteur, indépendamment de la pression du gaz d'échappement dans le conduit d'échappement, une quantité déterminée de gaz d'échappement puisse être recyclée dans un conduit d'air de sur- alimentation ou vers un côté admission du moteur à combustion interne. Conformément à l'invention, on obtient ce résultat par le fait que le dispositif de réglage de débit comporte un turbocompresseur à gaz d'échappement supplémentaire, possédant un compresseur de gaz d'échappement et une turbine supplémentaire, ainsi qu'une vanne de réglage par laquelle la quantité de gaz d'échappement recyclé est D réglable, ladite turbine supplémentaire étant raccordée en parallèle avec le conduit d'échappement ou en parallèle avec le conduit d'air de suralimentation. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, le compresseur de gaz d'échappement est installé dans la canalisation de recyclage de gaz d'échappement. Selon un premier mode de réalisation, lorsque la turbine supplémentaire sous la forme d'une turbine à air de suralimentation est raccordée par des conduits parallèlement au conduit d'air d'alimentation en aval du compresseur d'air de suralimentation mentionné, une vanne de réglage d'air de suralimentation est disposée parallèlement à cette turbine supplémentaire dans le conduit d'air de suralimentation. Selon un deuxième mode de réalisation, lorsque la turbine supplémentaire sous la forme d'une turbine à gaz d'échappement est raccordée par des conduits parallèlement au conduit d'échappement en amont de la turbine à gaz d'échappement du premier turbo- compresseur, une vanne de réglage de gaz d'échappement est disposée parallèlement à la turbine supplémentaire dans le conduit d'échappement. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, que le côté aspiration du compresseur de gaz d'échappement est relié au conduit d'échappement en amont de la turbine à gaz d'échappement du premier turbocompresseur et le côté refoulement du compresseur de gaz d'échappement est relié au conduit d'air de suralimentation en aval du compresseur d'air de suralimentation. L'un des avantages apportés par le système de recyclage de gaz d'échappement selon l'invention est qu'un recyclage de gaz d'échappement est rendu possible dans tout le régime de fonctionnement du moteur à combustion interne puisqu'il n'est plus nécessaire pour le fonctionnement que la pression dans le conduit d'échappement soit supérieure à la pression dans le conduit d'air de suralimentation pour recycler une quantité déterminée de gaz d'échappement au côté admission du moteur. De plus, grâce au second turbocompresseur, le recyclage de gaz d'échappement est réalisable de manière variable, pour ce qui concerne la construction, puisque la turbine du second turbocompresseur peut être installée parallèlement au conduit d'échappement en amont de la turbine à gaz d'échappement du premier turbocompresseur ou parallèlement au conduit d'air de suralimentation en aval du compresseur d'air de suralimentation du premier turbocompresseur. Par conséquent, le turbocompresseur supplémentaire possède, au choix, une turbine à gaz d'échappement ou une turbine à air de suralimentation. La quantité de gaz d'échappement recyclé peut être fixée librement par la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la turbine à air de suralimentation P2,1/P2,1' ou de la turbine à gaz d'échappement p32/P3,2', différence de pression qui peut être ajustée par la vanne de réglage montée en parallèle avec la turbine du second turbocompresseur, pour n'importe quel point de fonctionnement du moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de trois exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 est une représentation schématique d'un premier exemple de réalisation d'un moteur à combustion interne muni d'un premier turbocompresseur, possédant une turbine à gaz d'échappement et un compresseur d'air de suralimentation, ainsi que d'une canalisation de recyclage de gaz d'échappement dans laquelle est agencé un dispositif de réglage de débit comportant une vanne de réglage d'air de suralimentation et un turbocompresseur supplémen- taire, lequel possède un compresseur de gaz d'échappement et une turbine à air de suralimentation, cette dernière étant disposée parallèlement au conduit d'air de suralimentation en amont du compresseur d'air de suralimentation; - la Figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième exemple de réalisation d'un moteur à combustion interne analogue à celui de la Figure 1 et dans lequel la turbine du turbocompresseur à gaz d'échappement supplémentaire est disposée parallèlement au conduit d'échappement en amont de la turbine à gaz d'échappement du premier turbocompresseur; et - la Figure 3 est une représentation schématique d'un troisième exemple de réalisation analogue à celui de la Figure 2, mais dans lequel la turbine du turbocompresseur supplémentaire est disposée parallèlement à la turbine du premier turbocompresseur à gaz d'échappement et dans lequel on a prévu en plus un refroidisseur d'air de suralimentation en aval du compresseur d'air de suralimentation et un refroidisseur de gaz d'échappement en amont du compresseur de gaz d'échappement du turbocompresseur supplémentaire La Figure 1 représente schématiquement, pour un premier exemple de réalisation, un moteur à combustion interne 1 relié par un conduit d'air de suralimentation 2 et un conduit d'échappement 3 à un premier turbocompresseur à gaz d'échappement 4. Les parties essentielles de ce turbocompresseur sont un compresseur d'air de suralimentation 5 et une turbine à gaz d'échappement 7 qui sont reliés entre eux par un arbre 6. Une première partie 2' du conduit d'air de suralimentation 2 mène du côté refoulement 11 du compresseur 5 au côté admission 12 du moteur 1 et une seconde partie 2" du conduit d'air de sur- alimentation 2 mène d'un filtre à air non représenté au côté aspiration 13 du compresseur 5. Une première partie 3' du conduit d'échappement 3 mène du côté échappement 8 du moteur 1 à une tubulure d'admission 9 de la turbine à air d'échappement 7 et une seconde partie 3" du conduit d'échappement 3 mène d'une tubulure de sortie 10 de la turbine 7 à l'échappement non représenté du moteur 1. Une canalisation de recyclage de gaz d'échappement 14 relie la première partie de conduit 3' à la première partie de conduit 2' et contient un compresseur de gaz d'échappement 15 d'un turbo- compresseur à gaz d'échappement supplémentaire 16, appelé ci-après également turbocompresseur de recyclage. Celui-ci comporte, comme parties essentielles, le compresseur de gaz d'échappement 15 précité et une turbine à air de suralimentation 18, qui sont reliés entre eux par un arbre 17. La turbine à air de suralimentation 18 est raccordée par des conduits 19 et 20 en parallèle avec la partie 2' du conduit d'air de suralimentation 2, et une vanne de réglage d'air de suralimentation 23 est disposée entre les embouchures 21 et 22 o les conduits 19 et 20 débouchent dans la partie 2' du conduit d'air de suralimentation 2. Le turbocompresseur supplémentaire 16 forme, par sa turbine à air de suralimentation 18 montée dans le bipasse de la partie de conduit 2', ensemble avec la vanne de réglage d'air de suralimentation 23, les composants principaux d'un dispositif de réglage de débit 29 par lequel peut être réglée la quantité de gaz d'échappement s'écoulant à travers la canalisation de recyclage 14. Le conduit 19 part de la partie de conduit 2' à un point situé en aval du compresseur d'air de suralimentation 5 du premier turbocompresseur 4, mais en amont de la vanne de réglage d'air de suralimentation 23, et mène au côté entrée 24 de la turbine d'air de suralimentation 18. Le conduit 20 part du côté sortie 25 de la turbine 18, passe par un raccord 28 sur la canalisation de recyclage 14 et mène à l'embouchure 22, o il débouche dans la partie de conduit 2' en amont du côté admission 12 et en aval de la vanne de réglage 23. Une première partie 14' de la canalisation de recyclage de gaz d'échappement 14 mène de la première partie de conduit 3' au côté aspiration 30 du compresseur de gaz d'échappement 15 et contient une soupape antiretour 26 destinée à empêcher le reflux de gaz d'échappement ou d'air de suralimentation à travers le compresseur 15 dans le conduit d'échappement 3, ainsi qu'à séparer le côté gaz d'échappement du côté air du moteur 1. La soupape antiretour 26 et la vanne de réglage d'air de suralimentation 23 sont reliées par des canalisations 27' indiquées en trait interrompu à un régulateur 27 et réglables par une commande par moteur non représentée. En aval du compresseur de gaz d'échappement 15, une seconde partie 14" de la canalisation de recyclage 14 mène à la première partie 2' du conduit d'air de suralimentation 2 et débouche, peu avant l'embouchure 22, par le raccord 28 dans le conduit 20. La pression du gaz d'échappement dans la première partie de conduit 3', pression qui est égale à celle régnant côté aspiration 30 du compresseur de gaz d'échappement 15 si l'on ne tient pas compte des pertes par frottement dans les tuyaux, est désignée par p3,1, tandis que la pression côté refoulement 31 de ce compresseur est désignée par P'3,1. La pression de l'air de suralimentation dans la première partie de conduit 2', en amont de la vanne de réglage d'air de sur- alimentation 23, est désignée par p2,1, tandis que la pression de l'air de suralimentation dans cette première partie de conduit 2', mais en aval de la vanne 23, est désignée par p'2,1 (les pertes de pression dans les tuyaux sont négligées). p2,1 est donc la pression appliquée au côté entrée 24 de la turbine à air de suralimentation 18 et p'21 est la pression régnant côté sortie 25 de cette turbine. Dans l'exécution selon la Figure 1, la turbine d'air de suralimentation 18 du turbocompresseur de recyclage est placée dans un bipasse parallèle à la première partie 2' du conduit d'air de suralimentation 2. La différence de pression p2,1/p'2,1 entre l'entrée et la sortie de la turbine 18 est induite par la vanne de réglage d'air de suralimentation 23 dans la première partie de conduit 2' (canal principal). La différence de pression entre l'entrée et la sortie de la turbine d'air de suralimentation 18 commande la capacité de refoulement du compresseur de gaz d'échappement 15 et, partant, la quantité de gaz d'échappement recyclé au côté admission 12 du moteur 1. Par conséquent, le système de recyclage de gaz d'échappement proposé permet d'ajuster la pression P'2, 1, en principe, au moyen de la pression du gaz d'échappement p3,1- A l'aide du compresseur 15, le gaz d'échappement est porté au niveau de pression P'3,1 requis, étant entendu que p'3,1 doit être supérieure ou égale à P'2,1 pour qu'un recyclage de gaz d'échappement soit assuré. Au cas o un recyclage de gaz d'échappement n'est pas nécessaire, la vanne de réglage d'air de suralimentation 23 est complètement ouverte. Le côté gaz d'échappement est séparé dans ce cas du côté air par la soupape antiretour 26, maintenue fermée. Pour ce qui concerne la conception des composants, il y a lieu de veiller à une construction occasionnant peu de pertes, surtout de la vanne de réglage d'air de suralimentation 23, parce que le réglage de cette vanne produit le refoulement de l'air de suralimentation à partir de la partie de conduit 2' dans le bipasse et vers le côté entrée 24 de la turbine d'air de suralimentation 18. Dans la réalisation du compresseur de gaz d'échappement 15, il y a lieu de tenir compte des sollicitations dues à la température et aux particules. Il faut veiller également à ce que la turbine à air de suralimentation 18 et le compresseur de gaz d'échappement 15 soient conçus pour de faibles rapports de pression puisque, sous les pressions p2,1, P'2,1, P3,1 et p'3,1 effectivement établies, les rapports de pression précités p2,1/p'2, 1 et p3,1/p'3,1 sont relativement faibles. Une particularité de cet exemple de réalisation est la turbine 18 raccordée au côté air de suralimentation du turbocompresseur de recyclage. La Figure 2 montre schématiquement, en tant que deuxième exemple de réalisation, un moteur à combustion interne 1 analogue à celui de la Figure 1. Des parties identiques à celles de la Figure 1 portent les mêmes références. À la différence avec l'exemple selon la Figure 1, la turbine 32 d'un turbocompresseur à gaz d'échappement supplémentaire 33 (turbocompresseur de recyclage), est installée ici en amont de la turbine à gaz d'échappement 7 du premier turbocompresseur 4, en parallèle avec la première partie 3' du conduit d'échappement 3. Les parties essentielles du turbocompresseur supplémentaire 33 sont la turbine à gaz d'échappement 32 précitée et un compresseur de gaz d'échappement 35 qui sont reliés entre eux par un arbre 34. La particularité de cet exemple de réalisation est la turbine 32 mue par les gaz d'échappement du turbocompresseur de recyclage. La turbine 32 est raccordée par des conduits 36, 37 en parallèle avec la partie 3' du conduit d'échappement 3, et une vanne de réglage de gaz d'échappement 40 est disposée entre les embouchures 38, 39 par lesquelles les conduits 36, 37 débouchent dans la partie de conduit 3'. La vanne de réglage 40 et la soupape antiretour 26 sont reliées par des canalisations 27' indiquées en trait interrompu au régulateur 27. Le turbocompresseur supplémentaire 33, avec sa turbine à gaz d'échappement 32 - montée dans le bipasse en parallèle avec la partie 3' du conduit d'échappement 3 - et le compresseur de gaz d'échappement 35, ainsi que la vanne de réglage de gaz d'échappement , forment un deuxième exemple de réalisation du dispositif de réglage de débit 29. Une canalisation de recyclage de gaz d'échappement 41 mène de la première partie de conduit 3' à la première partie de conduit 2' et contient le compresseur de gaz d'échappement 35 du turbo- compresseur supplémentaire 33. Le conduit 36 (bipasse) part de la partie de conduit 3' au droit d'une embouchure 38 située en aval du côté échappement 8 du moteur 1 et en amont de la vanne de réglage de gaz d'échappement 40, et mène au côté admission 42 de la turbine à gaz d'échappement 32. Le conduit 37 part du côté sortie 43 de cette turbine et retourne à la partie de conduit 3', à laquelle il est raccordé par l'embouchure 39 située en aval de la vanne de réglage 40. Vue à partir du côté échappement 8 du moteur 1, la canalisation de recyclage 41 est constituée du tronçon 41a de la partie de conduit 3' menant à l'embouchure 38, d'un tronçon 41b du conduit 36, d'un conduit 41c branché en dérivation sur ce tronçon 41b, du compresseur à gaz d'échappement 35 et d'une partie de canalisation 41d qui mène du côté refoulement 45 du compresseur à gaz d'échappement 35 à la partie 2' du conduit d'air de suralimentation et est raccordée à cette partie de conduit. La pression du gaz d'échappement dans la première partie de conduit 3', pression qui est égale à celle régnant côté aspiration 44 du compresseur 35 et côté admission 42 de la turbine 32 si l'on ne tient pas compte des pertes par frottement dans les tuyaux, est désignée par p3,2, tandis que la pression sur le côté sortie 43 de la turbine 32, pression qui est égale à celle régnant en aval de la vanne de réglage 40 dans la partie de conduit 3' si l'on ne tient pas compte des pertes par frottement dans les tuyaux, est désignée par p'3,2. La pression de l'air de sur- alimentation dans la première partie de conduit 2' correspond à p2,2 et la pression du gaz d'échappement du côté refoulement 45 du compresseur 35, laquelle correspond à la pression dans la partie 41d de la canalisation de recyclage, correspond à p'2,2 (les pertes de pression dans les tuyaux sont négligées). Une particularité principale du deuxième exemple de réalisation est la turbine à gaz d'échappement 32 montée en parallèle avec la partie 3' du conduit d'échappement. Alors que, dans le premier exemple de réalisation (voir la Figure 1), la pression de suralimentation p2,1 est abaissée à p'2,1, dans le deuxième exemple de réalisation, selon la Figure 2, la pression p3,2 est abaissée à p'3,2 par la vanne de réglage et la masse de gaz d'échappement est refoulée vers la turbine 32. La quantité désirée de gaz d'échappement recyclé au côté admission 12, est aspirée par le compresseur de gaz d'échappement 35 et refoulée au niveau adéquat de pression de suralimentation (p'2,2 supérieure ou égale à p2,2) La Figure 3 montre schématiquement, en tant que troisième exemple de réalisation, un moteur à combustion interne 1 analogue à celui de la Figure 2. Des parties identiques à celles de la Figure 2 portent les mêmes références. En principe, le turbocompresseur supplémentaire 33 est raccordé comme celui de la Figure 2, mais le conduit 37 mène du côté sortie 43 de la turbine à gaz d'échappement 32 à la seconde partie 3" du conduit d'échappement 3 en un point situé en aval de la turbine à gaz d'échappement 7 du turbocompresseur 4. Un refroidisseur d'air de suralimentation est installé en aval du compresseur 5 et un refroidisseur de gaz d'échappement 47 est installé en amont du compresseur de gaz d'échappement 35. Le refroidisseur 47 sert à soulager thermiquement et à réduire le travail de compression du compresseur de gaz d'échappement 35. Comme dans l'exemple selon la Figure 2, le côté aspiration 44 du compresseur de gaz d'échappement 35 et le côté entrée 42 de la turbine à gaz d'échappement 32 sont reliés entre eux par une canalisation formée d'une partie du conduit 36 et du conduit 41c. Dans l'exemple de réalisation selon la Figure 3, le conduit 36 présente une embouchure 48 d'un conduit 49 relié au côté échappement 8 du moteur 1 et contenant une vanne de réglage de gaz d'échappement 50. Selon la Figure 3, la turbine à gaz d'échappement 32 du turbocompresseur supplémentaire 33 est montée en parallèle avec le conduit d'échappement 3 et, en même temps, en parallèle avec la turbine à gaz d'échappement 7 du premier turbocompresseur 4. Le flux de gaz d'échappement nécessaire au recyclage, est prélevé au point 38 et/ou au point 48 et envoyé au compresseur de gaz d'échappement 35 ainsi qu'à la turbine à gaz d'échappement 32. Cette disposition conduit à une dégradation particulièrement faible du rendement de recyclage de gaz d'échappement puisqu'il y a seulement les pertes par étranglement du flux de gaz d'échappement envoyé à travers la turbine 32. De plus, ces pertes peuvent être évitées par l'emploi d'une turbine à gaz d'échappement 32 possédant un système de guidage d'entrée ou distributeur variable, non représenté. Avec de telles turbines à gaz d'échappement. La vanne de réglage sert seulement à la mise en marche et à l'arrêt du recyclage de gaz d'échappement. La régulation s'effectue, par la vanne de réglage de gaz d'échappement 50 ou par la turbine à gaz d'échappement munie du système de guidage d'entrée variable, sous une commande fonction du diagramme caractéristique du moteur, par l'intermédiaire de la pression de suralimentation et/ou d'une mesure de la masse d'air. il REVENDICATIONS 1. Système de recyclage de gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne, comprenant un premier turbo- compresseur à gaz d'échappement, possédant une turbine à gaz d'échappement et un compresseur d'air de suralimentation, ainsi qu'un conduit d'échappement et un conduit d'air de suralimentation, système dans lequel une canalisation de recyclage de gaz d'échappement relie le conduit d'échappement en amont de la turbine à gaz d'échappement au conduit d'air de suralimentation en aval du compresseur d'air de suralimentation, et dans lequel la quantité de gaz d'échappement s'écoulant à travers la canalisation de recyclage de gaz d'échappement est réglable par un dispositif de réglage de débit, caractérisé en ce que le dispositif de réglage de débit (29) comporte un turbocompresseur à gaz d'échappement supplémentaire (16, 33), possédant un compresseur de gaz d'échappement (15, 35) et une turbine supplémentaire (18, 32), ainsi qu'une vanne de réglage (23, 40) par laquelle la quantité de gaz d'échappement recyclé est réglable, ladite turbine supplémentaire (18, 32) étant raccordée en parallèle avec le conduit d'échappement (3, 3', 3") ou en parallèle avec le conduit d'air de suralimentation (2, 2'). 2. Système de recyclage de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur de gaz d'échappement (15, 35) est installé dans la canalisation de recyclage de gaz d'échappement (14, 41). 3. Système de recyclage de gaz d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, au cas o la turbine supplémentaire (18) est une turbine à air de suralimentation (18) raccordée par des conduits (19, 20) parallèlement au conduit d'air de suralimentation (2, 2') en aval du compresseur d'air de sur- alimentation (5), une vanne de réglage d'air de suralimentation (23) est disposée parallèlement à cette turbine supplémentaire dans le conduit d'air de suralimentation (2, 2'). 4. Système de recyclage de gaz d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, au cas o la turbine supplémentaire (32) est une turbine à gaz d'échappement raccordée par des conduits (36, 37) parallèlement au conduit d'échappement (3, 3') en amont de la turbine à gaz d'échappement (7) du premier turbo- compresseur (4), une vanne de réglage de gaz d'échappement (40) est disposée parallèlement à cette turbine supplémentaire (32) dans le conduit d'échappement (3, 3'). 5. Système de recyclage de gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le côté aspiration (44) du compresseur de gaz d'échappement (35) est relié au conduit d'échappement (3, 3') en amont de la turbine à gaz d'échappement (7) du premier turbocompresseur (4) et le côté refoulement (45) du compresseur de gaz d'échappement (35) est relié au conduit d'air de suralimentation (2, 2') en aval du compresseur d'air de sur- alimentation (5). 6. Système de recyclage de gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un refroidisseur de gaz d'échappement (47) est installé en amont du compresseur de gaz d'échappement (35). 7. Système de recyclage de gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un refroidisseur d'air de suralimentation (46) est installé en aval du compresseur d'air de suralimentation (5). 8. Système de recyclage de gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une soupape antiretour (26) est placée dans la canalisation de recyclage de gaz d'échappement (14,41).