Brevet FR2787142A1 — publié le 20000616

L'invention concerne un dispositif destiné à recycler des gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne suralimenté. En vue d'obtenir des valeurs limites de polluants les plus basses possibles, on cherche, dans le cas de moteurs à combustion interne, notamment dans le cas de moteurs de véhicules utilitaires, à développer des concepts de recyclage de gaz d'échappement ayant une action abaissant les émissions d'oxyde d'azote, ceci sans augmenter trop sensiblement la consommation de carburant. A cet effet, il est connu, par exemple d'après les documents DE 43 30 487 Cl et DE 43 03 521 Ci, de prévoir dans un turbocompresseur de suralimentation, une turbine à gaz d'échappement, qui présente une géométrie variable, par exemple une grille directrice réglable, des aubes directrices, des anneaux de grille directrice coulissants ou des éléments similaires. La variation de la géométrie de la turbine à gaz, par exemple par une fermeture des grilles directrices de turbine, permet, dans une large mesure, sur des plages de fonctionnement étendues jusqu'à la courbe de pleine charge, que s'établissent des pressions d'entrée de turbine P3 supérieures aux pressions de suralimentation P2, ce qui offre la possibilité d'envoyer des gaz d'échappement avant la turbine vers le côté de l'air de suralimentation, par exemple après un radiateur de refroidissement d'air de suralimentation, directement en amont du moteur, ceci sans diminution du rapport air-carburant significatif pour la consommation. Il se pose toutefois le problème suivant, à savoir que dans la plage de pleine charge, la limite de la pression de cylindre maximale possible ou bien également la limite de pompage du compresseur du 2 2787142 turbocompresseur de suralimentation, empêchent un recyclage de gaz d'échappement ou au moins limitent celui-ci. Ces entraves ou ces limitations ne peuvent être affaiblies, dans le cas des dispositifs connus, que par des mesures additionnelles, qui se répercutent sur le rendement global du mouvement des gaz. En guise de mesures additionnelles, on connaît, par exemple, dans le document DE 44 29 232 Cl, des éjecteurs variables en tant que systèmes de régulation de débit, qui sont disposés dans la conduite d'air de suralimentation. Des agencements de compresseurs additionnels, tels que décrits dans le document DE 43 12 078 C2, sont possibles pour le pompage de gaz d'échappement. A l'aide de grilles directrices réglables, il est également possible, de réaliser, en mode de fonctionnement en frein moteur, un frein dit turbo- frein; à cet effet, les grilles directrices de la turbine sont réglées sur des sections de passage d'écoulement très petites, et dans la phase de fonctionnement en frein moteur, il se produit pratiquement une suralimentation très élevée du moteur à combustion interne, en permettant ainsi de régler des puissances très élevées de frein moteur pouvant être sélectionnées. Des essais dans la pratique, ont toutefois montré que les exigences élevées concernant la durée de vie de moteurs à combustion interne, notamment de moteurs de véhicules utilitaires, ne peuvent être atteintes par les mesures connues jusqu'à présent. D'après le document DE-OS 28 55 687, on connaît une turbine de gaz d'échappement asymétrique à double flux, dans laquelle les canaux en forme de spirale des deux flux séparés par une cloison 3 2787142 intermédiaire, sont de grandeur différente. Cette subdivision asymétrique doit permettre à la pression dans la conduite de gaz d'échappement, avant le plus petit canal, d'être supérieure à celle dans la conduite d'air de suralimentation, de façon à rendre possible un recyclage de gaz d'échappement. En vue de garantir un recyclage suffisant de gaz d'échappement même dans le cas de pressions de suralimentation élevées, il est nécessaire de présélectionner une forte asymétrie, ce qui influence toutefois de manière néfaste le rendement de la turbine, et de manière tout à fait générale, le rendement du mouvement des gaz du moteur. Le but de la présente invention consiste à fournir un dispositif de recyclage de gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne suralimenté, permettant, dans des modes de fonctionnement différents du moteur à combustion interne, un recyclage de gaz d'échappement sans mesures additionnelles compliquées et importantes. Conformément à l'invention, ce but est atteint pour un dispositif destiné à recycler des gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne suralimenté, qui est caractérisé par les particularités suivantes: un turbocompresseur de suralimentation comprenant une turbine à gaz d'échappement et un compresseur, une conduite de gaz d'échappement et une conduite d'air de suralimentation, une conduite de recyclage de gaz d'échappement, qui relie la conduite de gaz d'échappement avant la turbine à gaz d'échappement à la conduite d'air de suralimentation après le compresseur, la turbine à gaz d'échappement est réalisée sous forme de turbine à double flux, 4 2787142 les canaux des deux flux sont d'une configuration telle, et/ou sont pourvus de systèmes, de façon telle, qu'il soit possible de régler ou que soit réglé un régime de débit asymétrique pour les canaux, la turbine à gaz d'échappement présente une géométrie variable pour faire varier le débit de passage de gaz d'échappement, et un système de régulation par lequel la pression dans la conduite de recyclage de gaz d'échappement peut être commandée de façon à pouvoir être réglée à une valeur plus élevée que la pression dans la conduite d'air de suralimentation après le compresseur. Selon une configuration avantageuse de l'invention, pour l'obtention d'un régime de débit asymétrique, les canaux des deux flux sont de configuration asymétrique, avec un canal plus petit et un canal plus grand, ou bien l'on prévoit un ou plusieurs rétrécissements d'écoulement dans la zone de sortie de l'un au moins des canaux. D'après une autre caractéristique de l'invention, pour sa géométrie variable, la turbine à gaz d'échappement est pourvue d'une grille directrice réglable. Par ailleurs, pour les rétrécissements d'écoulement, il est possible de prévoir au moins une grille directrice réglable. Grâce aux canaux d'écoulement de configuration différente, en combinaison avec une géométrie variable de la turbine à gaz d'échappement, telle que par exemple une grille directrice réglable, il est possible de réguler, par l'intermédiaire d'un système de régulation, la pression du gaz d'échappement à recycler de façon 2787142 telle, que celle-ci, en cas de besoin, soit située au- dessus de la pression de l'air de suralimentation, de manière à toujours garantir un recyclage de gaz d'échappement. En même temps, on empêche toutefois par une régulation appropriée, qu'il se produise des problèmes dans la plage de pleine charge. En dehors de la fonction de turbo-frein, il est de cette manière également possible d'utiliser conformément à l'invention, la géométrie variable ou, conformément à l'invention, le système d'aubes directrices pouvant être introduit dans l'un ou les deux canaux annulaires, pour influencer la pression dans la conduite de recyclage de gaz d'échappement avant la turbine à gaz d'échappement, et ainsi également influencer la pression dans la conduite de recyclage de gaz d'échappement. Si, par exemple, on choisit une possibilité de variation la plus grande possible par une asymétrie relativement grande des canaux, il peut être prévu selon un développement de l'invention, que dans la conduite de gaz d'échappement soit disposé un système de décharge ou d'inversion de soufflage, par l'intermédiaire duquel il est possible d'effectuer un échange de gaz d'échappement entre les canaux des deux flux et/ou une décharge. De cette manière, il est possible d'obtenir une limitation de puissance du turbo-frein et/ou une régulation de la quantité de gaz d'échappement recyclée et des pressions de gaz d'échappement. Comme les rendements de la turbine diminuent avec l'augmentation de l'asymétrie, il est également possible de limiter l'asymétrie à une valeur supérieure, et de prévoir dans la conduite d'air de suralimentation, 6 2787142 par exemple, un système de régulation de pression ou de régulation de débit, par exemple sous la forme d'un éjecteur variable, relié à la conduite de recyclage de gaz d'échappement. La combinaison avec un compresseur additionnel ou un second turbocompresseur de suralimentation, qui est monté en parallèle, peut également être envisagée. Dans le cas du compresseur additionnel, celui-ci peut être disposé sur le même arbre que le compresseur principal. A la place des canaux de grandeur différente ou en supplément à ceux-ci, il est également possible, comme on l'a déjà évoqué, de prévoir dans la zone de sortie d'un des canaux, un rétrécissement d'écoulement, par exemple par des grilles directrices réglables, qui produit l'établissement de la pression souhaité dans un des canaux. La grille directrice réglable peut présenter un tiroir axial qui est conçu en tant que turbo-frein. Selon un développement avantageux de l'invention, dans la conduite de recyclage de gaz d'échappement peut être disposée une soupape à obturateur flottant. Dans la suite, l'invention va être explicitée plus en détail au regard de deux exemples de réalisation représentés par des schémas de principe sur les dessins annexés, qui montrent: Fig.1 une représentation schématique de l'invention avec des canaux annulaires asymétriques, et Fig.2 une représentation de détail agrandie, de la zone de sortie d'un canal annulaire, comprenant une grille directrice réglable en tant que rétrécissement d'écoulement. 7 2787142 Conformément à la figure 1, de l'air frais est comprimé par un compresseur 1 d'un turbocompresseur de suralimentation 2, qui après passage dans un radiateur de refroidissement d'air de suralimentation 3 et dans un système de régulation de débit 4, tel que par exemple un éjecteur variable d'un mode de construction connu, est amené à un moteur à combustion interne 6, par l'intermédiaire d'une conduite d'air de suralimentation 5. A partir du moteur à combustion interne 6, des collecteurs d'échappement, maintenus séparés l'un de l'autre, pour respectivement deux groupes de cylindres non représentés du moteur à combustion interne (par exemple le côté droit et le côté gauche), conduisent de manière correspondante, des gaz d'échappement vers une turbine à gaz d'échappement 8, par l'intermédiaire de conduites de gaz d'échappement 7a et 7b. La turbine à gaz d'échappement 8 est réalisée en tant que turbine à double flux comportant deux canaux d'entrée d'écoulement 9, 10 en forme de spirale, qui sont séparés l'un de l'autre par une cloison de séparation 11. Dans le cas de l'exemple de réalisation selon la figure 1, le canal annulaire 9 est nettement plus petit que le canal annulaire 10. Au point de réunification des deux canaux est disposée, de manière connue, une grille directrice 12 réglable axialement, qui régule l'écoulement de gaz d'échappement vers la turbine 8. La turbine 8 est reliée au compresseur 1 par un arbre d'entraînement 13. Entre les deux conduites de gaz d'échappement 7a et 7b est prévu un système de décharge ou d'inversion de soufflage 14, qui d'une part permet un passage de l'écoulement entre les deux flux ou les deux canaux 9 et 10, et d'autre part également, en fonction de la régulation du système de décharge ou d'inversion de soufflage 14, une évacuation de décharge, par l'intermédiaire d'une conduite 15, en aval de la turbine 8. De cette manière on engendre une limitation de puissance et de pression 8 2787142 pour le frein moteur, qui est obtenu par la géométrie variable de la turbine, conformément à la position de la grille directrice 12. En même temps, le système de décharge ou d'inversion de soufflage 14 permet également d'influencer la quantité de gaz d'échappement à recycler par l'intermédiaire d'une conduite de recyclage de gaz d'échappement 16, ainsi que les chiffres du rapport air carburant. Le gaz d'échappement dans la conduite de recyclage de gaz d'échappement 16 est tout d'abord amené, après dérivation de la conduite de gaz d'échappement 7a et respectivement 7b, par l'intermédiaire d'une soupape de recyclage de gaz d'échappement 17, à un radiateur de refroidissement de gaz d'échappement 18, d'o il parvient à un compresseur additionnel 19 avant d'être amené à la conduite d'air de suralimentation 5. Dans le cas de l'utilisation d'un compresseur additionnel 19, le système de régulation de débit 4 peut être supprimé. On prévoira le système de régulation de débit 4, essentiellement lorsqu'à la place d'un recyclage de gaz d'échappement par l'intermédiaire du compresseur additionnel 19, un recyclage de gaz d'échappement s'effectue, non pas par l'intermédiaire de la soupape 17, mais par l'intermédiaire d'une soupape 20 (représentée en pointillés), directement dans la conduite de recyclage de gaz d'échappement 16, par une conduite en dérivation 16b (représentée en pointillés). Pour permettre le recyclage de gaz d'échappement, il suffit d'assurer que la pression des gaz d'échappement P3L dans la conduite de gaz d'échappement 7a et respectivement P3R dans la conduite de gaz d'échappement 7b, soit supérieure à la pression de suralimentation P2 à l'amont du moteur à combustion interne 6. Dans le cas o le recyclage de gaz 9 2787142 d'échappement s'effectue par l'intermédiaire du compresseur additionnel 19, les pressions P3L et P3R peuvent, le cas échéant, également être plus faibles, parce que le compresseur additionnel 19 permet d'atteindre une pression plus élevée correspondante. Un régulateur 21, qui reçoit ses ordres de régulation par une ligne d'instruction de commande 22 conformément au diagramme caractéristique de consigne du moteur, envoie les ordres de régulation appropriés pour ouvrir et fermer la soupape 17 ou respectivement 20 (au choix), pour le système de régulation de débit 4 et la position de la grille directrice 12, par l'intermédiaire de lignes de commande. Dans l'éjecteur 4 en tant que système de régulation de pression, on fait chuter, en cas de besoin, la pression statique des gaz d'échappement. Les deux soupapes de gaz d'échappement 17 et mises en oeuvre en variante, peuvent être réalisées en tant que soupapes à corps d'obturation flottant, ce qui permet d'exploiter les pulsations de pression dans le système d'échappement, pour le recyclage de gaz d'échappement. A la place du compresseur additionnel 19, il est également possible, en cas de besoin, de prévoir en parallèle au turbocompresseur de suralimentation 2, un turbocompresseur additionnel complet (non représenté). La figure 2 montre, par une représentation de détail agrandie, un rétrécissement d'écoulement réalisé par une grille directrice réglable 12a, pour l'un des deux canaux annulaire, à savoir le canal annulaire 9. Dans le cas d'une mise en action, c'est-à-dire en cas d'introduction de la grille directrice 12a, on réalise ]o 2787142 de manière correspondante l'établissement de la pression souhaitée dans le canal annulaire 9. La solution selon la figure 2 peut être prévue en variante aux canaux annulaires de grandeur différente selon la figure 1, mais également, le cas échéant, en supplément, ceci sans ou également avec une autre grille directrice 12. De cette manière, on obtient une large possibilité de variation, notamment également dans le cadre de l'utilisation en tant que turbo-frein. Il 2787142 REVENDICATIONS. 1. Dispositif destiné à recycler des gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne suralimenté, caractérisé par les particularités suivantes: 1.1 un turbocompresseur de suralimentation (2) comprenant une turbine à gaz d'échappement (8) et un compresseur (1), 1.2 une conduite de gaz d'échappement (7a, 7b) et une conduite d'air de suralimentation (5), 1.3 une conduite de recyclage de gaz d'échappement (16), qui relie la conduite de gaz d'échappement (7a et respectivement 7b) avant la turbine à gaz d'échappement (8) à la conduite d'air de suralimentation (3) après le compresseur (1), 1.4 la turbine à gaz d'échappement (8) est réalisée sous forme de turbine à double flux, 1.5 les canaux (9, 10) des deux flux sont d'une configuration telle, et/ou sont pourvus de systèmes (12a) de façon telle, qu'il soit possible de régler ou que soit réglé un régime de débit asymétrique pour les canaux (9, 10), 1.6 la turbine à gaz d'échappement (8) présente une géométrie variable pour faire varier le débit de passage de gaz d'échappement, et 1.7 un système de régulation (21) par lequel la pression dans la conduite de recyclage de gaz d'échappement (16) peut être commandée de façon à pouvoir être réglée à une valeur plus élevée que la pression dans la conduite d'air de suralimentation (5) après le compresseur (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour l'obtention d'un régime de 12 2787142 débit asymétrique, les canaux (9, 10) des deux flux sont de configuration asymétrique, avec un canal plus petit et un canal plus grand (9, 10). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour l'obtention d'un régime de débit asymétrique, un ou plusieurs rétrécissements d'écoulement (12a) sont prévus dans la zone de sortie de l'un au moins des canaux. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que pour la géométrie variable, la turbine à gaz d'échappement (8) est pourvue d'une grille directrice réglable (12). 5. Dispositif selon les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il est prévu pour les rétrécissements d'écoulement, au moins une grille directrice réglable (12a). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que dans la conduite de gaz d'échappement (7a, 7b) est disposé un système de décharge ou d'inversion de soufflage (14), par l'intermédiaire duquel il est possible d'effectuer un échange de gaz d'échappement entre les canaux (9, 10) des deux flux et/ou une décharge. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que dans la conduite d'air de suralimentation (3) est disposé un système de régulation de débit (4) relié à la conduite de recyclage de gaz d'échappement (16). 13 2787142 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système de régulation de débit (4) comprend un éjecteur variable. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la grille directrice réglable (12) présente un tiroir axial qui est conçu en tant que turbo-frein. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le turbocompresseur de suralimentation (2) est pourvu d'un compresseur additionnel (19). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le compresseur additionnel (19) est disposé sur le même arbre (13) que le compresseur (1). 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un second turbocompresseur de suralimentation est monté en parallèle. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que dans la conduite de recyclage de gaz d'échappement (16) est disposée une soupape à obturateur flottant (17 et respectivement 20).