Brevet FR2759413A1 — publié le 19980814

L'invention concerne un moteur à combustion interne comportant un turbocompresseur à gaz d'échappement, une turbine à gaz d'échappement disposée dans un système de tuyau d'échappement et un dispositif de purge disposé, en référence au sens de circulation des gaz d'échappement dans le système de tuyau d'échappement, en amont de la turbine à gaz d'échappement, ou dans un carter hélicoïdal de la turbine à gaz d'échappement. D'après le document allemand DE 42 32 400 C1 on connaît un turbocompresseur à gaz d'échappement possédant une turbine à géométrie variable. Un insert de forme annulaire est disposé entre un canal de guidage de forme hélicoïdale de la turbine du turbocompresseur à gaz d'échappement et un rotor, de manière à être déplaçable de telle sorte qu'une section transversale de passage pour les gaz d'échappement soit réglable en fonction de paramètres déterminés de fonctionnement d'un moteur à combustion 1 5 interne. Mais un inconvénient tient au fait que, lorsqu'une limite de charge maximale est atteinte, la section transversale d'écoulement arrivant du rotor est rétrécie de sorte que la turbine du turbocompresseur à gaz d'échappement n'est plus chargée ou est encore chargée uniquement par une faible quantité des gaz d'échappement et que par conséquent aucune puissance n'est transmise ou seule encore une faible puissance est transmise par la turbine à un compresseur du turbocompresseur à gaz d'échappement. Le document allemand DE 29 01 041 C2 décrit un turbo- compresseur à gaz d'échappement qui peut être adapté, au moyen d'une canalisation de dérivation des gaz d'échappement et d'un clapet de commande de pression, à l'état de fonctionnement d'un moteur à combustion interne. De ce fait, le moteur à combustion interne ainsi que le turbocompresseur à gaz d'échappement équipé de la canalisation de dérivation des gaz d'échappement et du clapet de commande de pression doivent être protégés vis-a-vis de charges excessives. Cependant un inconvénient tient au fait que le dispositif implique une dépense élevée du point de vue construction et technique de régulation. En outre dans cette solution le guidage du courant des gaz d'échappement présente une allure complexe, ce qui fait apparaître des tourbillonnements indésirables dans le courant des gaz d'échappement ainsi que des pertes de puissance du turbocompresseur à gaz d'échappement. Dans la pratique on connait des soupapes de purge, qui sont prévues pour évacuer les gaz d'échappement d'un système de tuyau d'échappement. Par conséquent des pointes de charge du moteur à combustion interne et du turbocompresseur à gaz d'échappement doivent être évitées. Un inconvénient réside dans le fait qu'avec ces soupapes de purge, on ne peut réaliser qu'une limitation de pression dans le système de tuyau d'échappement. Les soupapes de purge s'ouvrent lorsqu'une limite de charge déterminée est atteinte, et évacuent les gaz d'échappement hors du système de tuyau d'échappement. Ceci entraîne une brusque chute de pression dans le système de tuyau d'échappement, qui conduit à une réduction de puissance du turbocompresseur à gaz d'échappement. C'est pourquoi la présente invention a pour but de créer un moteur à combustion interne comportant un turbocompresseur à gaz d'échappement de telle sorte qu'une contrainte excessive appliquée au système de tuyau d'échappement et du moteur à combustion interne par une pression trop élevée de l'air de suralimentation soit évitée et que la masse d'air, qui est respectivement nécessaire pour un fonctionnement optimal du moteur à combustion interne, soit envoyée à ce dernier aussi bien pendant le fonctionnement en frein-moteur que pendant le fonctionnement à pleins gaz. Ce problème est résolu conformément à l'invention grâce au fait qu'une section transversale de surface variable est formée entre au moins un corps de soupape et un siège associé de soupape du dispositif de purge de telle sorte qu'une quantité de gaz d'échappement, qui peut être adaptée aux états de fonctionnement incluant le fonctionnement en frein-moteur et le fonctionnement alimenté par étincelles, puisse être évacuée du système de tuyau d'échappement à travers la section transversale de surface variable. Grâce au fait qu'il est prévu, conformément à l'invention, une section transversale de surface variable, présente entre un corps de soupape et un siège associé de soupape d'un dispositif de purge, avantageusement une quantité de gaz d'échappement définie de façon précise et qui peut être adaptée aux états de fonctionnement du moteur comprenant le fonctionnement en frein-moteur et le fonctionnement à pleins gaz peut être évacuée du système de tuyau d'échappement à travers la section transversale de surface variable. Ceci fournit l'avantage consistant en ce qu'un turbocompresseur à gaz d'échappement peut développer sa pleine puissance déjà pour de très faibles vitesses de rotation du moteur étant donné qu'en raison de la régulation précise à l'aide d'un dispositif de purge, le turbocompresseur à gaz d'échappement peut fonctionner en suivant une courbe limite depuis la gamme de faible charge jusqu'à une gamme de surcharge. Par conséquent un moteur à combustion interne peut être chargé avec une pression optimale de suralimentation, ce qui fait apparaître dans une chambre de combustion de ce moteur un rapport air/carburant optimal pour une faible consommation de carburant. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de purge comporte au moins un corps de soupape pourvu d'une surface formant siège et une partie d'extrémité, qui se raccorde à ce corps et pénètre dans une ouverture du siège de soupape et dont la courbe méridienne est adaptée à la caractéristique de fonctionnement du moteur à combustion interne. Selon une autre caractéristique de l'invention, la partie d'extrémité du corps de soupape est pourvue de deux zones, dont la première, qui se raccorde à la surface formant siège du corps de soupape, est prévue essentiellement pour le fonctionnement en frein-moteur, et dont une seconde zone, qui se raccorde à la première zone, est prévue essentiellement pour le fonctionnement avec allumage par étincelle. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de purge comporte au moins un dispositif de réglage, à l'aide duquel le corps de soupape peut être déplacé par rapport au siège de soupape. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de purge comporte un corps extérieur de soupape et un corps intérieur de soupape, le corps intérieur de soupape peut être guidé coaxialement dans le corps extérieur de soupape, le corps intérieur de soupape est prévu essentiellement pour le fonctionnement en frein-moteur et le corps extérieur de soupape est prévu essentiellement pour le fonctionnement à pleins gaz du moteur à combustion interne, et la section transversale de surface variable est formée par une premiere section transversale variable de sortie, qui est disposée entre une surface formant siège du corps intérieur de soupape et un siège inteérieur du corps die soupape, et par une deuxième section transversale variable de sortie, qui est disposée entre une surface formant siège du corps extérieur de soupape et un siège extérieur du corps de soupape. Selon une autre caractéristique de l'invention, le siège intérieur pour le corps intérieur de soupape est prévu dans le corps extérieur de soupape. Selon une autre caractéristique de l'invention, pendant le fonctionnement en frein-moteur, les gaz d'échappement peuvent être évacués hors du système de tuyau d'échappement essentiellement par la section transversale de sortie, par une fente annulaire, qui est formée entre le corps intérieur de soupape et le corps extérieur de soupape, et par un perçage formé dans le corps extérieur de soupape. Selon une autre caractéristique de l'invention, pendant le fonctionnement à pleins gaz, les gaz d'échappement peuvent être évacués hors du système de tuyau d'échappement essentiellement par la section transversale de sortie. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de purge comporte un circuit de commande pourvu d'un dispositif de mesure, à l'aide duquel une pression de sortie P_VA d'un compresseur du turbocompresseur à gaz d'échappement peut être mesurée. Selon une autre caractéristique de l'invention, dans le circuit de commande, la pression de sortie P_VA peut être comparée à une pression de sortie de consigne P-VSA du compresseur et une pression d'entrée P_TE de la turbine à gaz d'échappement peut être commandée au moyen du dispositif de purge de telle sorte que P_VA soit égale à PVSA. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente un système de tuyau d'échappement comportant un turbocompresseur à gaz d'échappement, un moteur à combustion interne et un dispositif de purge; - la figure 2 représente un corps de soupape du dispositif de purge comportant une surface formant siège du corps de soupape et une partie d'extrémité se raccordant à cette surface; et - la figure 3 représente un corps interne et un corps externe de soupape d'un dispositif de purge, qui est disposé dans un système de tuyau d'échappement. Sur la figure 1, on a représenté un système de tuyau d'échappement 1 comportant un turbocompresseur à gaz d'échappement 2, un moteur à combustion interne 3 et un dispositif de purge 4. Le turbocompresseur à gaz d'échappement 2 comporte une turbine à gaz d'échappement 5 et un compresseur 6, la turbine à gaz d'échappement 5 étant chargée par les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 3. La turbine à gaz d'échappement 5 entraine, au moyen d'un arbre 7, le compresseur 6, qui envoie au moteur à combustion interne de l'air frais comprimé avec une pression de suralimentation ou pression de sortie P_VA du compresseur 6. La pression de sortie P_VA est mesurée à l'aide d'un dispositif de mesure 8 et est comparée dans un circuit de commande 9 à une pression de sortie de consigne P_VSA du compresseur 6, qui est la grandeur de commande dans ce circuit de commande. Cette pression de sortie de consigne P_VSA est calculée au moyen d'une fonction qui est formée à partir de paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne 3, comme par exemple la vitesse de rotation du moteur ou l'état de charge du moteur à combustion interne 3. Les paramètres de fonctionnement sont mémorisés au moyen de champs de caractéristiques, dans une unité électronique de commande du moteur, non représentée de façon détaillée. La pression d'entrée P_TE des gaz d'échappement de la turbine à gaz est la base fournissant la puissance qui est transmise par la turbine à gaz d'échappement 5 au compresseur 6. Cela signifie que la pression de sortie P_VA du compresseur dépend de la pression d'entrée P_TE de la turbine à gaz d'échappement 5. Conformément à la forme de réalisation de la figure 2, la pression d'entrée PTE de la turbine à gaz d'échappement 5 est commandée au moyen d'une section transversale de surface variable 10. La section transversale de surface 10 se situe entre un corps de soupape 11 et un siège de soupape 12, qui y est associé, du dispositif de purge 4, sous l'effet d'un écartement du corps de soupape 11 du siège de soupape 12. Pour la commande de P_TE, une quantité des gaz d'échappement définie de façon précise, qui est adaptée aux états de fonctionnement comprenant le fonctionnement en frein-moteur et le fonctionnement à pleins gaz du moteur à combustion interne 3, est évacuée du système de tuyau d'échappement à travers la section transversale de surface variable 10. De ce fait la puissance transmise par la turbine à gaz d'échappement 5 au compresseur 6 peut être commandée de telle sorte que la pression de sortie P_VA correspond à la pression de sortie de consigne P_VSA. Conformément à la figure 2, le corps de soupape 11 possède à cet effet une surface formant siège 13 du corps de soupape, qui est réalisée avec une forme conique. A cette surface se raccorde une partie d'extrémité 14, qui pénètre dans une ouverture 15 du siège de soupape et dont la courbe méridienne 16 est adaptée à la caractéristique de fonctionnement du moteur à combustion interne 3. L'adaptation de la courbe méridienne 16 est réalisée en ce sens que la courbure ou l'allure de la courbe méridienne 16 depuis la surface formant siège 13 du corps de soupape jusqu'à la pointe du corps de soupape 11 est agencée de telle sorte que pour une courbe de déplacement déterminée du corps de soupape 11, une section transversale de surface 10 définie de façon précise puisse être libérée. De ce fait, on peut obtenir une évacuation sensible des gaz d'échappement, qui est adaptée de façon précise à la caractéristique de fonctionnement déterminée expérimentalement du moteur à combustion interne 3, à partir du système 1 de tuyau d'échappement. Ceci permet une commande progressive de la puissance devant être délivrée par la turbine à gaz d'échappement 5. La partie d'extrémité 14 du corps de soupape 11 est subdivisée en deux zones, dont une première 17, qui se raccorde à la surface formant siège 13 du corps de soupape, est prévue principalement pour le fonctionnement en frein-moteur, et dont une seconde 18, qui se raccorde à la première zone 17, est prévue essentiellement pour le fonctionnement à pleins gaz du moteur à combustion interne 3. L'angle d'inclinaison de la tangente à la courbe méridienne 16 est plus grand dans la première zone 17 que dans la deuxième zone 18, ce qui a pour effet que, pour des courses identiques de déplacement du corps de soupape 11, on obtient dans la première zone 17 des variations de la section transversale de surface variable 10 plus faibles que dans la deuxième zone 18. L'agencement en deux zones de la partie d'extrémité 14 du corps de soupape 11 prend en compte les différentes quantités de gaz d'échappement qui sont produites par le moteur à combustion interne 3 pendant le fonctionnement en frein-moteur et pendant le fonctionnement à pleins gaz. Etant donné que dans le fonctionnement en frein-moteur il apparaissent des quantités de gaz d'échappement plus faibles que dans le fonctionnement à pleins gaz, pendant le fonctionnement en frein moteur un dosage beaucoup plus sensible de l'éjection des gaz d'échappement hors du système de tuyau d'échappement 1 est nécessaire pour éviter une baisse de puissance du compresseur 6 et par conséquent une réduction de la puissance de frein- moteur du moteur à combustion interne 3. Dans le fonctionnement à pleins gaz ou fonctionnement à pleine charge du moteur à combustion interne 3, pour la commande de la pression de sortie P_VA du compresseur 6, des sections transversales de surface plus importante 10 sont nécessaires pour le réglage de la pression d'entrée PTE de la turbine à gaz d'échappement 5. Grâce à l'adaptation de la courbe méridienne 16 du corps de soupape 11 à la caractéristique de fonctionnement du moteur à combustion interne 3, le turbocompresseur à gaz d'échappement 2 travaille en permanence à son niveau de puissance maximal. Ce niveau de puissance peut être défini de telle sorte qu'en particulier pendant le fonctionnement en frein-moteur, les soupapes d'admission et d'échappement, non représentées de façon détaillée, du moteur à combustion interne ne se soulèvent précisément pas en raison d'une contre-pression des gaz d'échappement dans le système de tuyau d'échappement 1 qui est disposé en aval du moteur à combustion interne 3, et la puissance du frein-moteur atteint une valeur maximale possible. Sur la figure 3, on a représenté une autre forme de réalisation d'un dispositif de purge 4. Le dispositif de purge 4 comporte un corps extérieur de soupape 19 et un corps intérieur de soupape 20, le corps intérieur de soupape étant guidé coaxialement dans le corps extérieur de soupape 19. Le corps intérieur de soupape 20 est prévu essentiellement pour le fonctionnement en frein-moteur et le corps extérieur de soupape 19 est prévu essentiellement pour le fonctionnement à pleins gaz du moteur à combustion interne 3. Dans cette solution, on tient compte également du fait que pendant le fonctionnement en frein-moteur, une commande plus sensible de la quantité des gaz d'échappement sortant du système de tuyau d'échappement 1 est nécessaire. La répartition décrite plus haut de la partie d'extrémité 14 du corps de soupape 11 est réalisée, dans cette forme de réalisation, au moyen des deux corps de soupape 19 et 20 qui ont des tailles différentes. Un siège intérieur 21 (lu corps (ie soupape 20 est prévu clans l. corps extérieur de soupape 19. Ainsi pendant le fonctionnement en frein- moteur, les gaz d'échappement sont évacués du système de tuyau d'échappement 1, par une section transversale de sortie 22 située entre une surface formant siège 23 du corps intérieur de soupape 20 et le siège intérieur 21 du corps de soupape, par une fente annulaire 24, qui est formée entre le corps intérieur de soupape 20et le corps extérieur de soupape 19, et par un perçage 25 formé dans le corps extérieur de soupape 19. Pendant le fonctionnement commandé par étincelle du moteur à combustion interne 3, les gaz d'échappement sont évacués du système de tuyau d'échappement 1 par une section transversale de circulation de sortie 26 entre une surface formant siège 27 du corps extérieur de soupape 19 et un siège extérieur 28 du corps de soupape. Les deux formes de réalisation du dispositif de purge conformément aux figures 2 et 3 ont en commun le fait que dans le dispositif de purge 4 il est prévu un dispositif de réglage, non représenté de façon détaillée, à l'aide duquel le corps de soupape 11, le corps extérieur de soupape 19 et le corps intérieur de soupape 20 sont déplaçables par rapport au siège de soupape 12, au siège extérieur 28 du corps de soupape et au siège intérieur 21 du corps de soupape. Ce déplacement peut être obtenu par voie électrique, électronique, pneumatique ou hydraulique. En plus des champs de caractéristiques, qui contiennent des paramètres de fonctionnement déterminés, on peut également utiliser un champ de caractéristiques en tant que base pour le traitement d'impulsions d'un système ABS (c'est-à-dire d'un système d'antiblocage). Ainsi par exemple sur la base des champs de caractéristiques pour un opérateur faisant fonctionner le moteur à combustion interne 3 ou le véhicule utilitaire contenant le moteur à combustion interne 3, dans un habitacle du véhicule on peut prévoir un levier de sélection, à l'aide duquel l'opérateur peut régler progressivement un niveau maximal de puissance du moteur à combustion interne 3 de telle sorte qu'une pression maximale de sortie du compresseur P_VSA, qui correspond au niveau de puissance, ne soit pas dépassée par valeurs supérieures. Il s'ensuit que notamment pendant le fonctionnement en frein-moteur, lorsque la chaussée est lisse ou mouillée par la pluie, la conduite du véhicule utilitaire est réglable par ce conducteur d'une manière plus variable en fonction de la puissance délivrée par le moteur à combustion interne 3. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne comportant un turbocompresseur à gaz d'échappement, une turbine à gaz d'échappement disposée dans un système de tuyau d'échappement et un dispositif de purge disposé, en référence au sens de circulation des gaz d'échappement dans le système de tuyau d'échappement, en amont de la turbine à gaz d'échappement, ou dans un carter hélicoïdal de la turbine à gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'une section transversale de surface variable (10; 22, 26) est formée entre au moins un corps de soupape (11; 19, 20) et un siège associé de soupape (12 ; 21, 28) du dispositif de purge (4) de telle sorte qu'une quantité de gaz d'échappement, qui peut être adaptée aux états de fonctionnement incluant le fonctionnement en frein-moteur et le fonctionnement à pleins gaz, puisse être évacuée du système de tuyau d'échappement (1) à travers la section transversale de surface variable (10). 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de purge (4) comporte au moins un corps de soupape (11) pourvu d'une surface formant siège (13), et une partie d'extrémité (14) qui se raccorde à ce corps et pénètre dans une ouverture (15) du siège de soupape et dont la courbe méridienne (16) est adaptée à la caractéristique de fonctionnement du moteur à combustion interne (3). 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie d'extrémité (14) du corps de soupape (11) est pourvue de deux zones, dont la première (17), qui se raccorde à la surface formant siège (13) du corps de soupape, est prévue essentiellement pour le fonctionnement en frein-moteur, et dont une seconde zone (18), qui se raccorde à la première zone (17), est prévue essentiellement pour le fonctionnement avec allumage par étincelle. 4. Moteur à combustion interne selon l'un quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de purge (4) comporte au moins un dispositif de réglage, à l'aide duquel le corps de soupape (11) peut être déplacé par rapport au siège de soupape (12). 5. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de purge (4) comporte un corps extérieur de soupape (19) et un corps intérieur de soupape (20), que le corps intérieur de soupape (20) peut être guidé coaxialement dans le corps extérieur de soupape (19) et que le corps intérieur de soupape (20) est prévu essentiellement pour le fonctionnement en frein-moteur et que le corps extérieur de soupape (19) est prévu essentiellement pour le fonctionnement à pleins gaz du moteur à combustion interne (3), que la section transversale de surface variable est formée par une première section transversale variable de sortie (22), qui est disposée entre une surface formant siège (23) du corps intérieur de soupape (20) et un siège intérieur (21) du corps de soupape, et par une deuxième section transversale variable de sortie (26), qui est disposée entre une surface formant siège (27) du corps extérieur de soupape (19) et un siège extérieur (28) du corps de soupape. 6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que le siège intérieur (21) pour le corps intérieur de soupape (20) est prévu dans le corps extérieur de soupape (19). 7. Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce que pendant le fonctionnement en frein-moteur, les gaz d'échappement peuvent être évacués hors du système de tuyau d'échappement (1) essentiellement par la section transversale de sortie d'écoulement (22), par une fente annulaire (24), qui est formée entre le corps intérieur de soupape (20) et le corps extérieur de soupape (19), et par un perçage (25) formé dans le corps extérieur de soupape (19). 8. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que pendant le fonctionnement à pleins gaz, les gaz d'échappement peuvent être évacués hors du système de tuyau d'échappement (1) essentiellement par la section transversale de sortie (26). 9. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif de purge (4) comporte un circuit de commande (9) pourvu d'un dispositif de mesure (8), à l'aide duquel une pression de sortie (PVA) d'un compresseur (6) du turbocompresseur a gaz d'échappement (2) peut étre mesurée. 10. Moteur à combustion interne selon la revendication 9, caractérisé en ce que dans le circuit de commande (9), la pression de sortie (P VA) peut ètre comparée à une pression de sortie de consigne (P- VSA) du compresseur (6) et qu'une pression d'entrée (PTE) de la turbine à gaz d'échappement (5) peut être commandée au moyen du dispositif de purge (4) de telle sorte que (PVA) soit égale à (PVSA).