Brevet FR2789120A1 — publié le 20000804

L'invention concerne un moteur à combustion interne équipé d'au moins un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement, qui comprend une unité de turbine à gaz d'échappement et une unité de compresseur d'air, et auquel est coordonnée au moins une source d'air comprimé, en particulier sous la forme d'un moteur à allumage par étincelle (cycle Otto) et à injection directe pour un véhicule automobile. Les unités de compresseurs d'air pour moteurs à combustion interne augmentent, par compression de l'air nécessaire à la combustion du carburant, le débit d'air d'un moteur pour la même cylindrée et la même vitesse de rotation du moteur, et permettent ainsi une puissance volumique plus élevée. On connaît, en tant qu'unités de compresseurs d'air, des compresseurs entraînés mécaniquement et des turbocompresseurs à gaz d'échappement. Ces derniers sont capables d'utiliser l'énergie cinétique des gaz d'échappement provenant de la combustion pour comprimer l'air. Au bas régime de vitesse, les turbocompresseurs à gaz d'échappement ont cependant l'inconvénient de présenter un mauvais comportement de réponse. Les sources d'air comprimé pour moteurs à combustion interne sont utilisées en particulier pour moteurs à injection directe. Un dispositif d'injection directe, du type dont il est question ici, est connu par exemple par le document WO 87/02419, dans lequel une pompe de refoulement de carburant est prévue pour amener du carburant sous pression. Ce dispositif contient une unité de compresseur d'air qui fournit de l'air d'alimentation (de suralimentation) pour le moteur à combustion interne. L'injection définie d'une quantité de carburant favorable pour la combustion et exactement dosée est rendue possible par des moyens pour établir une pression diffé- rentielle déterminée entre la pression de l'unité de compresseur d'air et la pression de la pompe de refoulement de carburant. La publication "Combustion and Emissions Characteristics of Orbital's Combustion Process Applied to Multi-Cylinder Automotive Direct Injected 4- Stroke Engines" de Rodney Houston, Geoffrey Cathcart, Orbital Engine Company, Perth, Western Australia, divulgue un dispositif pour l'injection directe, commandée électroniquement, d'un mélange air- carburant dans un moteur à combustion interne dans lequel est prévu un compresseur pour générer de l'air comprimé. Cet air comprimé permet d'une part l'introduction dosée d'un jet de carburant finement pulvérisé dans la zone de chambre de combustion d'un cylindre et d'autre part une précompression de l'air aspiré. Le but de l'invention est de créer un moteur à combustion interne, équipé d'un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement, sur lequel puisse être fournie également une haute pression d'alimentation au bas régime de vitesse, en particulier pendant des phases d'accélération du moteur. On obtient ce résultat par un moteur à combustion interne, du type défini au début, sur lequel sont prévus des moyens pour insuffler de l'air comprimé, provenant de la source d'air comprimé, au nombre d'au moins une, dans l'unité de compresseur d'air du turbocompresseur, au nombre d'au moins un, ou dans un canal d'air aspiré situé en amont et débouchant dans celui-ci. Par cette insufflation d'air comprimé, I'unité de compresseur d'air est soutenue dans son action de compression, de sorte qu'elle est également capable au bas régime de vitesse du moteur à combustion interne d'établir une pression d'alimentation élevée. Ainsi est créé un moteur dont la puissance motrice est également relativement élevée au bas régime de vitesse et qui présente, à ce régime, des valeurs favorables des gaz d'échappement émis, en particulier un plus faible dégagement de fumée. Selon un développement de l'invention, les moyens d'insufflation d'air comprimé soufflent l'air comprimé sur une roue de compresseur de l'unité de compresseur d'air et produisent ainsi un effet direct d'entraînement en rotation sur cette roue. De cette manière, la puissance du moteur à combustion interne peut être accrue sans modifications sur la partie mobile du turbocompresseur. Selon un autre développement de l'invention, les moyens d'insufflation d'air comprimé dans l'unité de compresseur d'air comportent des buses, par lesquelles ces moyens soufflent de l'air comprimé sur la roue de compres- seur. De cette manière, I'énergie accumulée dans l'air comprimé peut être convertie avec un haut rendement en un mouvement tournant de la roue de compresseur. Selon encore un autre développement de l'invention, les moyens d'insufflation d'air comprimé comprennent des moyens de distribution pilotables pour l'insufflation, pilotable dans le temps, de l'air comprimé. De cette manière, il devient possible de passer d'un entraînement exclusif du turbocompresseur par l'énergie cinétique du flux de gaz d'échappement à un entraînement de soutien du turbocompresseur par de l'air comprimé et inversement. La puissance du moteur à combustion interne peut ainsi être pilotée et le comportement quant aux gaz d'échappement est optimisable. En cas d'utilisation d'un tel moteur dans des véhicules automobiles, on peut obtenir un meilleur comportement d'accélération, en particulier aussi au bas régime de vitesse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation avantageux, mais nullement limitatif de l'invention, ainsi que du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne équipé d'un turbocompresseur et d'un dispositif d'injection directe; et - la figure 2 est une vue de côté de l'unité de compresseur d'air, à l'état ouvert, du turbocompresseur selon la figure 1. Le moteur à combustion interne 1 montré sur la figure 1, il peut s'agir en particulier d'un moteur à allumage par étincelle (cycle Otto) et à injection directe, comporte plusieurs cylindres dont un seul cylindre 2 est représenté à titre d'exemple. Dans une zone de chambre de combustion 3 du cylindre 2 sont disposées une soupape d'admission d'air 4 et une soupape d'échap- pement 5. À la soupape d'admission d'air 4 est amené, à travers un conduit d'air d'alimentation 6 en tant que canal d'air aspiré, par une unité de com- presseur d'air 7 d'un turbocompresseur muni d'une turbine à gaz d'échappe- ment 8, de l'air aspiré, comprimé, devant être injecté dans la zone de chambre de combustion 3. Là, I'air aspiré comprimé, est mélangé avec un mélange air-carburant finement pulvérisé, qui est amené à travers un injecteur de mélange 9 en tant que partie d'un dispositif - dont les autres parties ne sont pas représentées - pour l'injection directe. Pour allumer le mélange air-carburant, une bougie d'allumage 10 est prévue dans la zone de chambre de combustion 3. Le gaz d'échappement éjecté de cette zone s'écoule à travers la soupape d'échappement 5 dans un conduit d'échap- pement 11 et entraîne par son énergie cinétique la turbine à gaz d'échappe- ment 8. L'injecteur 9 mélange du carburant, provenant d'un tuyau de carbu- rant 12, de façon définie avec de l'air comprimé provenant d'un conduit d'air comprimé 13 qui est alimenté en air comprimé d'une pression d'environ 10 bars par une unité de compresseur 14 et un réservoir d'air comprimé 15. Afin que de l'air aspiré fortement comprimé puisse également être amené à la zone de chambre de combustion 3 alors que la vitesse de rotation du moteur 1 est relativement faible, on a prévu des moyens d'insufflation d'air comprimé, par lesquels de l'air comprimé provenant du réservoir 15 peut être envoyé, de manière pilotable dans le temps, à l'unité de compresseur d'air 7 du turbocompresseur. Dans ce but, lesdits moyens comportent un conduit d'air comprimé 13a menant du réservoir 15 à l'unité de compresseur 7 et dans lequel se trouve une soupape 16 à commande électromagnétique. Dans l'unité de compresseur d'air 7, l'air comprimé amené est soufflé latéralement sur une roue de compresseur de cette unité, de sorte que l'énergie cinétique de cet air est transmise à la roue de compresseur, afin de conférer ainsi une accélération supplémentaire à la partie ou équipement mobile du turbocompresseur. Il en résulte un débit accru d'air de l'unité de compresseur 7 et, par suite, une augmentation de sa capacité de compression. Ces deux résultats procurent une conversion accrue d'énergie du moteur 1. De plus, on peut utiliser à cet effet le système de conduits d'air comprimé présent de toutes manières sur un moteur à injection directe. Cependant, lorsque, à vitesse de rotation plus élevée, l'énergie cinétique du gaz d'échappement suffit pour fournir, au moyen du turbocompresseur, une pression d'alimentation désirée, la soupape 16 est fermée. Une mise en circuit du système de conduits d'air comprimé, au moyen de la soupape 16, agit donc comme une aide à l'accélération. Afin de pouvoir faire fonctionner le moteur en permanence à une pression d'alimentation optimale, on peut éventuelle- ment prévoir une commande de la soupape 16 en fonction du diagramme caractéristique du moteur, à l'aide d'une unité de commande appropriée du moteur. La figure 2 est une vue de côté de la roue de compresseur spiralée de l'unité de compresseur d'air 7 à l'état ouvert. La roue de compresseur de cette unité est montée rotative sur un arbre 17 dans un carter 18. Un contour antagoniste 18a de la roue de compresseur est pourvu d'orifices 19, réalisés à la façon de buses et représentant des perçages uniformément répartis dans la direction circonférentielle autour de l'arbre 17. L'air comprimé amené à travers le conduit 13a est soufflé à travers ces orifices 19 sur la roue de compresseur. L'air comprimé ainsi insufflé, comme l'air aspiré comprimé par la roue de compresseur, pénètre dans le conduit d'air d'alimentation 6 et contribue ainsi à l'augmentation de la quantité d'air d'alimentation. Il n'est pas obligatoire que le conduit d'air comprimé 13a, menant à l'unité de compresseur 7, soit raccordé à une source d'air comprimé d'un dispositif d'injection directe; ce conduit peut aussi être raccordé à toute autre source d'air comprimé appropriée, par exemple à celle d'un système de freinage pneumatique. La source d'air comprimé d'un tel système de freinage doit alors être dimensionnée de façon adéquate pour que la pression ne risque pas de descendre au-dessous de la pression minimale du système de freinage. Au lieu d'insuffler de l'air comprimé exclusivement de façon directe dans l'unité de compresseur d'air 7, comme représenté, il est possible aussi, selon une variante de réalisation, d'insuffler de l'air comprimé partiellement ou exclusivement dans le conduit d'air aspiré 6a en amont de la roue de compresseur 7. Il est possible encore d'insuffler de l'air comprimé dans le conduit d'air d'alimentation 6. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1. Moteur à combustion interne équipé d'au moins un turbo- compresseur de suralimentation à gaz d'échappement, qui comprend une unité de turbine à gaz d'échappement (8) et une unité de compresseur d'air (7), et auquel est coordonnée au moins une source d'air comprimé (14, 15), caractérisé en ce que des moyens (13, 14, 15, 16, 18) sont prévus pour insuffler de l'air comprimé, provenant de la source d'air comprimé, au nombre d'au moins une, dans l'unité de compresseur d'air (7) du turbo- compresseur à gaz d'échappement, au nombre d'au moins un, ou dans un canal d'air aspiré (6a) situé en amont et débouchant dans celui-ci. 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'insufflation d'air comprimé (13, 14, 15, 16, 18) soufflent l'air comprimé sur une roue de compresseur de l'unité de compres- seur d'air (7) dans le sens de l'entraînement de cette roue en rotation. 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'insufflation d'air comprimé (13, 14, 15, 16, 18) comportent des buses (18) prévues dans l'unité de compresseur d'air (7) et à travers lesquelles ces moyens soufflent l'air comprimé sur la roue de compresseur. 4. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'insufflation d'air comprimé (13, 14, 15, 16, 18) comportent des moyens de distribution pilotables (18) pour l'insuf- flation, pilotable dans le temps, de l'air comprimé.