Brevet FR2817909A1 — publié le 20020614

L'invention concerne un moteur à combustion interne, comportant en particulier des rangées de cylindres agencées en forme de V et comprenant au moins deux turbocompresseurs à gaz d'échappement agissant parallèlement comprenant chacun une turbine et un compresseur. Dans les moteurs à combustion interne comportant deux rangées de cylindres agencées en forme de V, qui sont chargés au moyen de turbocompresseurs à gaz d'échappement, il est connu de prévoir un turbocompresseur à gaz d'échappement respectif pour chaque rangée de cylindres. Ceci procure le grand avantage que les turbines des turbocompresseurs sont montées à proximité des culasses, de sorte qu'il suffit de prévoir des courts collecteurs d'échappement entre la culasse et la turbine. Des courts collecteurs d'échappement absorbent moins de chaleur ou dégagent moins de chaleur dans l'état chauffé, ce qui est avantageux pour le fonctionnement du catalyseur. Un agencement de deux turbocompresseurs à gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant deux rangées de cylindres agencées en forme de V est décrit dans le document DE 195 47 994 A1. Dans cet agencement, les deux turbocompresseurs fonctionnent parallèlement, c'est-à-dire que chaque rangée de cylindres alimente une turbine du turbocompresseur qui alimente à son tour une rangée de cylindres en air frais. Dans des petits turbocompresseurs à gaz d'échappement, un agencement à proximité de la culasse dans la zone latérale du moteur est possible et souhaitable. Dans le cas de grands turbocompresseurs, un agencement latéral dans le véhicule automobile n'est pas possible pour des raisons de place. Dans un agencement de deux turbocompresseurs à gaz d'échappement à proximité de la culasse sur le côté extérieur du contour du moteur, on doit faire un compromis pour la conception de la taille des turbocompresseurs entre d'une part une conception de petite taille qui 2 2817909 est favorable à la réaction à une faible vitesse de rotation et qui offre une bonne possibilité de montage et d'autre part une conception de grande taille qui permet un bon chargement en charge pleine et à des vitesses de rotation élevées. Le document DE 40 16 214 C1 montre un agencement de trois turbocompresseurs à gaz d'échappement sur un moteur à combustion interne, dans lequel un premier turbocompresseur est toujours alimenté en gaz d'échappement et un ou deux autres turbocompresseurs sont susceptibles d'être branchés additionnellement. Dans ce mode de réalisation, les conduites à gaz d'échappement individuelles sont réunies vers un seul turbocompresseur, ce qui est lié à des longueurs de conduite importantes avec les inconvénients qui en résultent. L'objectif sous-jacent à l'invention est de proposer pour un moteur à combustion interne un dispositif pour charger le moteur au moyen de turbocompresseurs à gaz d'échappement, qui ne comprend que de courts trajets de conduite vers les turbocompresseurs, qui permet un bon résultat de chargement à des vitesses de rotation faibles et qui permet un bon résultat de chargement également à des vitesses de rotation élevées, sans prévoir de régulation dans la plage supérieure des vitesses de rotation au moyen d'une soupape d'évacuation (waste-gate). Pour atteindre cet objectif, on prévoit conformément à l'invention qu'une turbine d'un troisième turbocompresseur à gaz d'échappement est agencée en aval des turbines des deux turbocompresseurs à gaz d'échappement, le troisième turbocompresseur à gaz d'échappement étant réalisé plus grand que les deux turbocompresseurs à gaz d'échappement, et en ce que les deux turbocompresseurs à gaz d'échappement conjointement et le troisième turbocompresseur à gaz d'échappement sont associés respectivement à des plages de charge déterminées différentes. 3 2817909 Un développement avantageux et judicieux de l'invention ressort de la description qui suit. Dans un moteur à combustion interne comportant deux rangées de cylindres agencées en forme de V et pourvues de turbocompresseurs à gaz d'échappement, on prévoit sur le côté extérieur de chaque rangée de cylindres un turbocompresseur relativement petit à proximité de la culasse. Lorsque les turbocompresseurs sont petits, ils présentent un petit moment d'inertie de leurs masses en rotation, et ils réagissent rapidement à des modifications du débit massique. De même, les petits turbocompresseurs se chauffent plus rapidement, c'est-à-dire que lors d'un démarrage à froid, moins de chaleur passe dans le boîtier du turbocompresseur et plus de chaleur est amenée au catalyseur, ce qui est avantageux pour un fonctionnement rapide du catalyseur. Grâce au fait que le turbocompresseur est agencé à proximité de la culasse, seulement peu de chaleur est perdue vers le collecteur d'échappement ou vers d'autres tubes ou encore à l'environnement. Après avoir passé les deux turbocompresseurs, les gaz d'échappement s'écoulent à travers une conduite de collecte jusque dans un troisième turbocompresseur à gaz d'échappement commun qui est réalisé plus grand que les deux premiers turbocompresseurs. Le troisième turbocompresseur se situe dans la zone entre les deux rangées de cylindres et il est alimenté en gaz d'échappement par les deux rangées de cylindres. Cependant, en raison de sa taille, il convoie de l'air chargé uniquement à des vitesses de rotation élevées et lors d'un débit massique élevé de la turbine. Après avoir passé la turbine du troisième turbocompresseur, les gaz d'échappement s'écoulent dans des catalyseurs et dans des silencieux pour un traitement final des gaz d'échappement. Grâce au fait que les deux premiers turbocompresseurs sont réalisés relativement petits par rapport à la taille du moteur, ils réagissent déjà tôt à des vitesses de rotation faibles et ils assurent un bon comportement lors de l'accélération à partir de faibles vitesses de 4 2817909 rotation, c'est-à-dire qu'ils ne présentent pas de ce qu'on appelle un "trou" dans le fonctionnement du turbocompresseur. Dans la plage inférieure et moyenne des vitesses de rotation du moteur, la conduite de cour-circuit est ouverte lorsque la pression de chargement de consigne est atteinte, et une partie du débit massique de gaz d'échappement passe en contournant les petites turbines, afin d'éviter une haute pression de chargement inadmissible. Uniquement à des vitesses de rotation maximales lorsque le troisième turbocompresseur parvient également à ses limites, une conduite de courtcircuit est ouverte vers l'environnement du turbocompresseur et un débit partiel des gaz d'échappement est évacué. La commande des organes de régulation, c'est-à-dire l'ouverture et la fermeture des conduites de court-circuit autour des deux petits turbocompresseurs et du troisième turbocompresseur de grande taille s'effectue par voie électrique et/ou pneumatique en dépendance de la pression de chargement dans les conduites à air chargé, de la vitesse de rotation du moteur et de la pression des gaz d'échappement dans les conduites à gaz d'échappement. Ceci signifie que les clapets d'étranglement ou tiroirs sont entraînes par voie électrique et/ou pneumatique. La courbe caractéristique de régulation des clapets d'étranglement ou des tiroirs est réalisée de manière à obtenir une transition douce, c'est- à-dire qu'il n'y a pas d'ouverture ou de fermeture soudaine des organes de régulation. Après avoir passé le filtre à air, l'air frais s'écoule à travers le compresseur du troisième turbocompresseur à gaz d'échappement, et à des faibles vitesses de rotation depuis ici vers les compresseurs des deux petits turbocompresseurs sur le côté extérieur des culasses. Depuis les compresseurs des deux turbocompresseurs, l'air chargé 2817909 s'écoule vers un ou plusieurs refroidisseurs d'air chargé et depuis ici vers les organes d'aspiration du moteur à combustion interne. Lorsque les deux turbines des turbocompresseurs sont contournées au moyen d'une conduite de court-circuit en cas de vitesses de rotation élevées, il est avantageux de contourner également les compresseurs des deux turbocompresseurs au moyen d'une conduite de court-circuit ou de by-pass, afin d'éviter une perte de pression inutile. Grâce à l'agencement de deux petits turbocompresseurs et d'un grand turbocompresseur commun agencé en aval, on peut choisir la bonne taille de turbocompresseur pour chaque plage de vitesses de rotation et de charge. Une commutation entre les turbocompresseurs qui sont les petits turbocompresseurs à des faibles vitesses de rotation et le grand turbocompresseur à des vitesses de rotation élevées, s'effectue avec une transition douce par une ouverture ou une fermeture lente des organes de régulation correspondants qui libèrent ou referment les conduites de court-circuit aussi bien sur le côté gaz d'échappement que sur le côté air aspiré. Ainsi, on assure une transition sans à-coups et le confort de roulement ne souffre pas du fait de la commutation. Grâce au choix de la bonne taille de turbocompresseur pour chaque plage de vitesses de rotation, on améliore non seulement la puissance fournie par le moteur, mais on réduit également la consommation de carburant du moteur. L'invention sera expliquée plus en détail dans ce qui suit en se rapportant à deux exemples de réalisation illustrés dans les dessins. Les figures montrent: figure 1, un agencement de plusieurs turbocompresseurs à gaz d'échappement sur un moteur à combustion interne comportant deux rangées de cylindres et deux refroidisseurs d'air chargé; et figure 2, un autre agencement de plusieurs turbocompresseurs à gaz d'échappement sur un moteur à combustion interne comportant deux rangées de cylindres et un refroidisseur d'air chargé. 6 2817909 Selon la figure 1, un moteur à combustion interne est équipé de deux rangées de cylindres 1, 2 qui sont agencées en forme de V l'une par rapport à l'autre. Entre les deux rangées de cylindres 1, 2 se situent les organes d'aspiration des rangées de cylindres respectives, chacun sous la forme d'un collecteur d'air 3, 4 et de tubes d'aspiration courts 5. Sur le côté extérieur des rangées de cylindres 1, 2 sont agencés les collecteurs d'échappement 6, 7 directement sur la culasse qui n'est pas illustrée plus en détail. Les gaz d'échappement chauds s'écoulent à travers les collecteurs d'échappement 6, 7 jusqu'aux turbines 8, 9 des deux petits turbocompresseurs à gaz d'échappement 10, 11 qui sont montés directement sur le côté extérieur des rangées de cylindres. En aval des deux turbines 8, 9, des conduites à gaz d'échappement 12, 13 mènent jusqu'à une turbine 14 d'un grand turbocompresseur à gaz d'échappement 15 qui est agencé au milieu entre les deux rangées de cylindres 1, 2. À des vitesses de rotation faibles, les deux turbocompresseurs 10, 11 sont alimentés directement en gaz d'échappement provenant des deux rangées de cylindres 1, 2 respectives. Lors d'une augmentation des vitesses de rotation du moteur à combustion interne, un organe de régulation 16, 17 s'ouvre sur chaque coté du moteur à combustion interne au niveau du collecteur d'échappement 6, 7 et il libère une conduite de court-circuit ou de contournement 18, 19 autour du turbocompresseur 10, 1 1. Grâce à ceci, les turbocompresseurs 10, 11 sont coupés en temps utile avant d'atteindre la pression de chargement de consigne, ou bien lorsque celle-ci est atteinte, pour qu'il n'y ait pas d'endommagements. Les organes de régulation 16, 17 sont réalisés sous la forme de clapets d'étranglement qui sont pilotés de manière connue par voie électrique ou pneumatique. À la place des clapets d'étranglement, il est également possible de prévoir des tiroirs ou d'autres organes de régulation, mais la durabilité et le fonctionnement à des températures élevées en cas de fluides agressifs et en cas de particules présentes dans les gaz 7 2817909 d'échappement posent des exigences accrues aux organes de régulation 16, 17. L'opération d'ouverture des organes de régulation 16, 17 s'effectue avec une transition douce lorsque le grand turbocompresseur 15 établit déjà une pression de chargement suffisante et que les petits turbocompresseurs 10, 11 sont à proximité de leur limite de coupure. Grâce à une ouverture douce des organes de régulation 16, 17, il se produit une superposition des courbes caractéristiques de tous les turbocompresseurs 10, 11, 15 et lors d'accélérations, il ne se produit ni sauts ni irrégularités prononcées (par exemple un trou proprement dit) dans l'évolution de la force de traction du moteur à combustion interne. Les courants de gaz d'échappement des deux turbocompresseurs 10, 11 s'écoulent à double flux ou bien déjà de façon réunie auparavant jusque dans la turbine du grand turbocompresseur 15. Depuis la sortie de la turbine 14, les gaz d'échappement s'écoulent à travers une conduite à gaz d'échappement 43 jusqu'à l'installation à gaz d'échappement non illustrée (catalyseur, silencieux). Au cas o le grand turbocompresseur 15 parviendrait également à ses limites de fonctionnement à des vitesses de rotation maximales et à une charge maximale, on prévoit pour ce cas un organe de régulation 20 qui libère une conduite de court-circuit ou de contournement 21 pour contourner la turbine 14. Cet organe de régulation 20 est également réalisé sous la forme d'un clapet d'étranglement qui est piloté de manière connue par voie électrique ou pneumatique. Outre un clapet d'étranglement, on peut également prévoir un tiroir ou un autre organe de régulation, mais la solidité et le fonctionnement à des températures élevées en cas de fluides agressifs et de particules présentes dans les gaz d'échappement posent des exigences accrues à l'organe de régulation 20. Sur le côté air, l'air aspiré s'écoule tout d'abord à travers un filtre à air 22 et depuis ici jusqu'à un compresseur 23 du grand turbocompresseur 15. Depuis la sortie hors du compresseur 23, l'air chargé s'écoule à 8 2817909 travers une conduite à air chargé 24 qui se ramifie, jusqu'aux compresseurs 25, 26 des deux petits turbocompresseurs 10, 11. À partir des compresseurs 25, 26, l'air chargé s'écoule vers deux refroidisseurs d'air chargé 27, 28 et depuis ici de façon refroidie jusqu'aux deux collecteurs d'air 3, 4 des rangées de cylindres respectives 1, 2. Depuis les collecteurs d'air 3, 4, l'air chargé s'écoule dans les culasses non illustrées. À des faibles vitesses de rotation, le compresseur 23 du turbocompresseur 15 ne convoie pas encore de masses d'air de chargement importantes. Néanmoins, il est entraîné et ne représente pas d'obstacle d'écoulement important entre le filtre à air 22 et les deux compresseurs 25, 26. Au cas o le compresseur 23 du turbocompresseur 15 convoierait plus d'air avec l'augmentation de la vitesse de rotation et que les deux turbocompresseurs 10, 11 sont découplés sur le côté gaz d'échappement au moyen des organes de régulation 16, 17, les compresseurs 25, 26 sont contournés sur le côté air des turbocompresseurs 10, 11, du fait que des conduites de court-circuit ou de contournement 31, 32 sont ouvertes au moyen d'un autre organe de régulation respectif 29, 30. Grâce à ceci, les compresseurs 25, 26 ne font pas obstacle à l'écoulement dans le courant d'air de chargement. Les deux turbocompresseurs 10, 11 ne peuvent pas être contournés complètement par l'ouverture des organes de régulation 16, 17. Un petit débit massique résiduel parvient via les turbines et maintient les turbocompresseurs 10, 11 à une vitesse de rotation (au ralenti), afin de permettre une accélération plus rapide des turbocompresseurs pendant le fonctionnement. Les organes de régulation 29, 30 sont réalisés sous la forme de clapet d'étranglement qui sont pilotés de manière connue par voie électrique ou pneumatique. Outre les clapets d'étranglement, on peut également prévoir des tiroirs ou d'autres organes de régulation. 9 2817909 Pour pouvoir relier en cas de besoin les deux collecteurs d'air 3, 4 du côté air, on prévoit entre eux un autre organe de régulation 33, par exemple un clapet d'étranglement. Grâce à ceci, à des faibles vitesses de rotation, les rangées de cylindres 1, 2 du moteur à combustion interne peuvent fonctionner séparément, afin d'exploiter la dynamique des gaz dans le tube d'aspiration 5. À des vitesses de rotation élevées, lorsqu'il y a suffisamment de pression de chargement, les deux collecteurs d'air 3, 4 sont reliés. Un autre exemple de réalisation conforme à l'invention est illustré dans la figure 2, dans lequel toutes les pièces identiques ou ayant la même fonction sont désignées par les mêmes chiffres de référence que dans la figure 1. Etant donné que les pièces et les fonctions sur le côté gaz d'échappement de l'agencement de turbocompresseur à gaz d'échappement de l'exemple de réalisation selon la figure 2 correspondent à celles de la figure 1, on renonce à leur description. Sur le côté air, l'air aspiré s'écoule tout d'abord à travers un filtre à air 22 et depuis ici vers un compresseur 23 du grand turbocompresseur 15. Depuis la sortie hors du compresseur 23, l'air chargé s'écoule à travers une conduite à air chargé 24 jusqu'à un emplacement de ramification 34. À cet emplacement de ramification 34 partent trois conduites à air chargé, à savoir deux conduites à air chargé 35, 36 vers les compresseurs 25, 26 des deux turbocompresseurs 10, 11 et une conduite à air chargé 37 vers un organe de régulation 39 qui est par exemple un clapet d'étranglement piloté par voie électrique ou pneumatique. Les conduites à air chargé 39, 40 provenant des compresseurs 25, 26 se réunissent avec la conduite à air chargé 41 qui provient de l'organe de régulation 38. Depuis ici, l'air chargé s'écoule en commun jusqu'au refroidisseur d'air chargé 42 et depuis ici vers les deux collecteurs d'air 3, 4 des rangées de cylindres respectives 1, 2. À partir des collecteurs d'air 3, 4 l'air chargé s'écoule dans les culasses non illustrées. 2817909 Au cas o le compresseur 23 du turbocompresseur 15 convoierait plus d'air, lors d'une augmentation de la vitesse de rotation, et que les deux turbocompresseurs 10, 11 sont découplés sur le côté gaz d'échappement au moyen de l'organe de régulation 16, 17, les compresseurs 25, 26 sont contournés sur le côté air des turbocompresseurs 10, 11 du fait que les conduites à air chargé 37, 41 sont ouvertes au moyen de l'organe de régulation 38. Grâce à ceci, les compresseurs 25, 26 ne font plus obstacle à l'écoulement du débit d'air chargé. Grâce à l'ouverture de l'organe de régulation 38, une conduite dans l'ensemble courte (conduite à air chargé 37 et 41) est libérée qui présente une résistance à l'écoulement considérablement plus faible que celle des conduites à air chargé 35, 36, 39, 40 et des deux compresseurs 25, 26. Ceci signifie que les deux compresseurs 25, 26 sont mis à l'arrêt simultanément du côté air au moyen d'un seul organe de régulation 38, parce que l'air chargé prend le chemin de la moindre résistance. Dans une autre réalisation non illustrée, il est possible d'intégrer l'emplacement de ramification 34 des conduites à air chargé 35, 36, 37 ou la réunion des conduites à air chargé 39, 40, 41 ou bien les deux noeuds de conduites dans l'organe de régulation 38, de sorte que les conduites à air chargé 37, 41 disparaissent pratiquement car elles ne servent plus qu'à ponter une épaisseur de la paroi de boîtier de l'organe de régulation. 1 12817909 Revendications 1. Moteur à combustion interne, comportant en particulier des rangées de cylindres (1, 2) agencées en forme de V et comprenant au moins deux turbocompresseurs à gaz d'échappement (10, 11) agissant parallèlement comprenant chacun une turbine (8, 9) et un compresseur (25, 26), caractérisé en ce qu'une turbine (14) d'un troisième turbocompresseur à gaz d'échappement (15) est agencée en aval des turbines (8, 9) des deux turbocompresseurs à gaz d'échappement (10, 11), le troisième turbocompresseur à gaz d'échappement étant réalisé plus grand que les deux turbocompresseurs à gaz d'échappement, et en ce que les deux turbocompresseurs à gaz d'échappement conjointement et le troisième turbocompresseur à gaz d'échappement sont associés respectivement à des plages de charge déterminées différentes. 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un turbocompresseur à gaz d'échappement des deux turbocompresseurs à gaz d'échappement (10, 11) est associé à chaque rangée de cylindres (1, 2). 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que le troisième turbocompresseur à gaz d'échappement (15) est agencé dans la zone entre les deux rangées de cylindres (1, 2). 4. Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'en amont des turbines (8, 9) des deux turbocompresseurs à gaz d'échappement (10, 11) bifurque une conduite de court-circuit respective (18, 19) comportant chacune un organe de régulation commutable (16, 17) et débouche en aval des turbines dans une conduite de liaison vers le troisième turbocompresseur à gaz d'échappement (15). 5. Moteur à combustion interne selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'en amont de la turbine (14) du troisième turbocompresseur à gaz 12 2817909 d'échappement (15) bifurque une conduite de court-circuit (21) comportant un organe de régulation commutable (20) et débouche en aval de la turbine dans une conduite à gaz d'échappement (43). 6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, comportant un filtre à air, caractérisé en ce que grâce au filtre à air (22), l'air brut s'écoule vers un côté entrée du compresseur (23) du troisième turbocompresseur à gaz d'échappement (15), depuis un côté sortie du compresseur de façon ramifiée vers les côtés d'entrée des compresseurs (25, 26) des deux premiers turbocompresseurs à gaz d'échappement (10, 11) et depuis les côtés sortie des compresseurs via des refroidisseurs d'air chargé associés (27, 28) jusqu'à des collecteurs d'air (3, 4) du moteur à combustion interne. 7. Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'en amont des compresseurs (25, 26) des deux turbocompresseurs à gaz d'échappement (10, 11) bifurque au moins une conduite de court- circuit (31, 32) comportant un organe de régulation commutable (29, 30) et débouche en aval des compresseurs dans une conduite de liaison menant vers le refroidisseur d'air chargé (27, 28). 8. Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'en aval du compresseur (23) du troisième turbocompresseur à gaz d'échappement (15) bifurque une conduite à air chargé (37) comportant un organe de régulation commutable (38) et débouche dans une conduite à air chargé (41) vers le refroidisseur d'air chargé (42). 9. Moteur à combustion interne selon l'une ou l'autre des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'à des vitesses de rotation faibles du moteur à combustion interne, tous les organes de régulation (16, 17, 20, 29, 30, 33, 38) sont fermés. 10. Moteur à combustion interne selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'à des vitesses de rotation élevées du moteur à combustion interne, les conduites de court-circuit (18, 19, 31, 32) côté compresseur 13 2817909 et côté turbine sont ouvertes vers les deux premiers turbocompresseurs à gaz d'échappement (10, 11) au moyen des organes de régulation (16, 17, 29, 30). 11. Moteur à combustion interne selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'à des vitesses de rotation maximales du moteur à combustion interne, la conduite de court-circuit (21) est ouverte au moyen de l'organe de régulation (20) pour contourner la turbine (14) du troisième turbocompresseur à gaz d'échappement (15). 12. Moteur à combustion interne selon la revendication 11, caractérisé en ce que lors de la transition de vitesses de rotation faibles à des vitesses de rotation élevées du moteur à combustion interne, tout d'abord les conduites de court-circuit (18, 19, 31, 32) des deux turbocompresseurs à gaz d'échappement (10, 11) sont ouvertes par les organes de régulation (16, 17, 29, 30). 13. Moteur à combustion interne selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'à des vitesses de rotation élevées du moteur à combustion interne, les deux collecteurs d'air (3, 4) sont reliés l'un à l'autre par l'ouverture d'un organe de régulation (33).