Brevet FR2854652A1 — publié le 20041112

"Moteur à combustion interne comportant des moyens pour améliorer le rendement d'un turbocompresseur" L'invention concerne un moteur à combustion, notamment du type diesel, suralimenté par un turbocompresseur comportant une turbine qui est agencée dans une conduite d'échappement du moteur. Il est fréquent que les moteurs, notamment les moteurs diesel, soient suralimentés par un turbocompresseur de façon à améliorer leurs performances. Le turbocompresseur permet notamment d'augmenter leur rendement et leur puissance. Pour chaque moteur, il est nécessaire de dimensionner correctement le turbocompresseur. Un "gros" turbocompresseur présente un rendement optimal pour un débit et une pression des gaz d'échappement élevés. De tels débit et pression sont fournis par le moteur lorsqu'il fonctionne à hauts régimes. À bas régimes, un gros turbocompresseur présente un rendement médiocre, du fait notamment de son inertie importante. De plus, lorsque le régime du moteur est inférieur à un régime prédéterminé, le turbocompresseur ne fonctionne pas car le débit et la pression des gaz d'échappement sont trop faibles. Le régime prédéterminé est appelé régime d'accrochage du turbocompresseur. Un "petit" turbocompresseur présente un régime d'accrochage plus faible que celui d'un gros turbocompresseur. Il présente aussi un rendement optimal pour des valeurs de débit et de pression des gaz d'échappement plus faibles que celles nécessaires pour un gros turbocompresseur. Cependant, il est limité pour un fonctionnement à des régimes plus élevés, car la totalité des gaz d'échappement fournie par le moteur ne peut participer à l'augmentation de la pression de l'air atmosphérique par le compresseur. Le compromis entre les deux types de turbocompresseur est difficile à trouver, puisqu'il est nécessaire que le rendement du moteur soit optimal dans une plage importante de régimes allant de bas régimes, de l'ordre de 1000 tours par minute, à des hauts régimes, de l'ordre de 4500 tours par minute. En général, le dimensionnement est réalisé pour que le rendement du turbocompresseur soit acceptable à de moyens et hauts régimes du moteur. Par conséquent de tels compresseurs ne permettent pas d'obtenir un accrochage de la turbine à bas régime. On connaît plusieurs conceptions destinées à résoudre ce problème. Il est ainsi connu d'utiliser le fait que le cylindre émet les gaz d'échappement par pulsations dans la conduite d'échappement. La conduite d'échappement est donc parcourue par des ondes longitudinales de pression dont la fréquence est fonction du régime du moteur. Dans cette conception, la conduite d'échappement qui raccorde les cylindres du moteur à la turbine, est dimensionnée de manière que les ondes de pression de gaz d'échappement entrent en résonance pour un régime inférieur au régime d'accrochage normal du turbocompresseur. Il se produit ainsi une augmentation de la pression des gaz d'échappement à l'entrée de la turbine, ce qui provoque un accrochage précoce de la turbine. Cependant, ce système nécessite de concevoir un circuit d'échappement spécifique qui est onéreux. De plus, il n'est pas possible d'abaisser le régime d'accrochage de la turbine de manière importante. Il est aussi connu d'utiliser des turbocompresseurs équipés d'une turbine à géométrie variable. Une telle turbine comporte des composants mobiles qui sont commandés en fonction du régime du moteur, et qui sont susceptibles de modifier les caractéristiques de la turbine, et notamment son régime d'accrochage. Cependant, une telle turbine est complexe et onéreuse. Afin de résoudre ce problème, l'invention propose un moteur du type décrit précédemment, caractérisé en ce que des gaz comprimés, distinct des gaz d'échappement, sont injectés dans la turbine, de manière à améliorer le rendement du turbocompresseur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le moteur comporte une enceinte de combustion dans laquelle un mélange gazeux comportant de l'hydrogène et de l'oxygène est brûlé pour obtenir lesdits gaz comprimés comportant notamment de la vapeur d'eau, et en ce qu'il comporte un canal de sortie des gaz comprimés qui relie l'enceinte de combustion à l'alimentation de la turbine en gaz ; - le canal de sortie des gaz comprimés débouche dans la conduite d'échappement en amont de la turbine ; - dans le mélange gazeux contenu dans l'enceinte de combustion, la proportion d'oxygène par rapport à l'hydrogène est supérieure aux proportions stoechiométriques ; - le canal de sortie forme une tuyère de détente des gaz comprimés qui accélère la vitesse d'écoulement des gaz comprimés entre leur entrée dans la tuyère et leur injection dans la turbine ;- la tuyère est conçue de manière que la détente des gaz comprimés ne produise pas la liquéfaction de la vapeur d'eau ; - l'hydrogène est produit par un reformeur embarqué à bord du véhicule ; - l'enceinte de combustion est alimentée en oxygène par un apport d'air atmosphérique ; - le moteur comporte des moyens de régulation de l'injection des gaz comprimés en fonction du régime de fonctionnement du moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera à la figure annexée qui est une vue schématique d'un moteur à combustion interne suralimenté par un turbocompresseur, et qui comporte des moyens pour augmenter l'efficacité du turbocompresseur réalisés selon les enseignements de l'invention. On a représenté à la figure un moteur de véhicule automobile du type diesel. Le moteur comprend au moins un cylindre 10 qui comporte une chambre de combustion 12. La chambre de combustion 12 est alimentée en air atmosphérique par l'intermédiaire d'une conduite d'admission d'air 14. La chambre de combustion 12 est aussi raccordée à une conduite d'échappement 16 des gaz brûlés qui résultent de la combustion de carburant avec l'air admis. Le moteur est équipé d'un turbocompresseur 18 qui comporte un compresseur 20 et une turbine 22 qui sont reliés mécaniquement l'un à l'autre, ici par l'intermédiaire d'un arbre 24. Le compresseur 20 est agencé dans la conduite d'admission d'air 14 en amont de la chambre de combustion 12. Il est alimenté en air atmosphérique par un tronçon d'entrée 26. Le compresseur est notamment destiné à comprimer l'air atmosphérique avant son admission dans la chambre de combustion 12 de façon à améliorer le remplissage de la chambre de combustion 12 en air. Le compresseur 20 est entraîné en rotation par la turbine 22 par l'intermédiaire de l'arbre 24. La turbine 22 est agencée dans la conduite d'échappement 16 en aval de la chambre de combustion 12 de façon à être entraînée en rotation par les gaz d'échappement qui sont expulsés de la chambre de combustion 12, et qui sont représentés par la flèche E sur la figure. Les gaz d'échappement sont ensuite évacués de la turbine 22 par un tronçon de sortie 28. Selon les enseignements de l'invention, le moteur comporte une enceinte de combustion 30 qui est située à proximité de la conduite d'échappement 16. L'enceinte de combustion 30 est raccordée à la conduite d'échappement 16, en amont de la turbine 22, par l'intermédiaire d'un canal 32. L'enceinte de combustion 30 est destinée à recevoir un mélange de comburant et de carburant qui sont ici respectivement de l'oxygène 02 et de l'hydrogène H2. Ce mélange est ensuite brûlé dans l'enceinte de combustion 30. A cet effet, l'enceinte de combustion 30 comporte des moyens pour amorcer la combustion du mélange, par exemple une bougie d'allumage 33. La combustion étant confinée dans l'enceinte de combustion 30. Il en résulte des gaz comprimés qui sont riches en vapeur d'eau. Ces gaz comprimés sont destinés à être injectés dans la conduite d'échappement 16 par l'intermédiaire du canal 32 comme indiqué par la flèche G à la figure. Selon une variante non représentée de l'invention, le canal 32 débouche directement dans la turbine 22, sans transiter par la conduite d'échappement 16. Le canal 32 a la forme d'une tuyère de détente de façon à accélérer l'écoulement des gaz comprimés G entre leur entrée dans la tuyère 32 et leur injection dans la conduite d'échappement 16. A cet effet, la tuyère 32 a ici, et à titre non limitatif, la forme d'une tuyère de Laval comportant un col central 34. Avantageusement, la tuyère 32 est conçue de façon que la détente des gaz comprimés G ne produise pas la liquéfaction de la vapeur d'eau. Cela aurait en effet des conséquences négatives sur l'efficacité de la turbine. De plus, si le véhicule est équipé d'un pot d'échappement catalytique, la présence d'eau liquide dans les gaz d'échappement E serait susceptible d'en détériorer prématurément certains éléments. L'enceinte de combustion 30 est alimentée avec de l'air atmosphérique. C'est l'oxygène O2 contenu dans l'air atmosphérique qui réagit avec l'hydrogène H2. L'hydrogène H2 est ici produit par un reformeur 36 embarqué à bord du véhicule. Le reformeur 36 est alimenté en carburant, qui peut être distinct ou identique à celui qui est injecté dans la chambre de combustion 12, par exemple en essence ou en diesel, par un réservoir 38, et il est alimenté en oxygène 02 par l'air atmosphérique. Le reformeur 36 produit ainsi de l'hydrogène H2 qui est acheminé jusqu'à l'enceinte de combustion 30 par l'intermédiaire d'une tubulure d'alimentation 39. Le reformeur 36 produit en outre du dioxyde de carbone CO2 et de l'azote N2 qui sont évacués par une tubulure d'évacuation 40. Selon une variante non représentée de l'invention, l'enceinte de combustion 30 est alimentée en hydrogène H2 par un réservoir embarqué à bord du véhicule automobile. Le moteur comporte des moyens non représentés de régulation de l'injection des gaz comprimés G dans la conduite d'échappement 16 en fonction du régime de fonctionnement du moteur. Lorsque le moteur fonctionne à un régime déterminé, par exemple à un régime inférieur au régime d'accrochage de la turbine 22, de l'air et de l'hydrogène H2 sont admis, puis brûlés dans l'enceinte de combustion 30. Les gaz comprimés G ainsi obtenus sont injectés via la tuyère 36 dans la conduite d'échappement 16. Le flux de gaz comprimés G est mélangé avec le flux de gaz d'échappement E. Le débit de ce mélange est alors supérieur ou égal au débit de gaz d'échappement E dans la conduite d'échappement 16 lorsque le moteur fonctionne au régime d'accrochage de la turbine 22. Ce flux est conduit jusqu'à la turbine 22. La tuyère 36 est raccordée à la conduite d'échappement 16 de façon que le flux de gaz comprimés G s'écoule dans la conduite d'échappement 16 globalement d'amont en aval vers la turbine 22, sans qu'une partie des gaz comprimés G ne remonte vers la chambre de combustion 12, et sans que les gaz comprimés G ne soient ralentis avant d'entrer dans la turbine 22. Lorsque le flux du mélange de gaz comprimés G et de gaz d'échappement E atteint la turbine 22, celle-ci est entraînée en rotation. La turbine est alors accrochée de façon précoce. Selon une variante, les gaz comprimés G sont injectés dans la conduite d'échappement 16 lorsque le moteur fonctionne à un régime supérieur au régime d'accrochage de la turbine 22. Les performances de la turbine 22 sont ainsi améliorées. Avantageusement, dans les gaz contenus dans l'enceinte de combustion 30, la proportion d'oxygène 02 par rapport à l'hydrogène H2 est supérieure aux proportions stoechiométrique. Ainsi, la combustion ne produit pas une explosion qui serait susceptible de détériorer l'enceinte 30. Les gaz comprimés G comportent donc un excès d'oxygène 02 qui n'a pas réagi avec l'hydrogène H2. Il est avantageux que les gaz d'échappement E soient chargés d'un excès d'oxygène O2 lorsqu'un filtre à particule est agencé en aval de la turbine. L'oxygène 02 favorise en effet la régénération des filtres à particule en permettant une meilleure combustion des particules piégées. En revanche, l'hydrogène H2 a réagit avec l'oxygène 02 pour produire de la vapeur d'eau. Ceci est aussi avantageux car la présence d'hydrogène H2 dans les gaz d'échappement E pourrait provoquer des combustions spontanées non contrôlées de l'excès d'hydrogène H2, ce qui pourrait avoir des conséquences néfastes. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion de véhicule automobile, notamment du type diesel, suralimenté par un turbocompresseur (18) comportant une turbine (22) qui est agencée dans une conduite d'échappement (16) du moteur, caractérisé en ce que des gaz comprimés (G), distincts des gaz d'échappement (E), sont injectés dans la turbine (22), de manière à améliorer le rendement du turbocompresseur (18). 2. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte de combustion (30) dans laquelle des gaz comportant de l'hydrogène (H2) et de l'oxygène (02) sont brûlés pour obtenir lesdits gaz comprimé (G) comportant notamment de la vapeur d'eau, et en ce qu'il comporte un canal (32) de sortie des gaz comprimés (G) qui relie l'enceinte de combustion (30) à l'alimentation de la turbine (22) en gaz. 3. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le canal de sortie (32) des gaz comprimés (G) débouche dans la conduite d'échappement (16) en amont de la turbine (22). 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que dans les gaz contenus dans l'enceinte de combustion (30), la proportion d'oxygène (02) par rapport à l'hydrogène (H2) est supérieure aux proportions stoechiométriques. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le canal de sortie (32) forme une tuyère de détente des gaz comprimés (G) qui accélère la vitesse d'écoulement du gaz comprimé (G) entre leur entrée dans la tuyère (32) et leur injection dans la turbine (22). 6. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la tuyère (32) est conçue de manière que la détente des gaz comprimés (G) ne produise pas la liquéfaction de la vapeur d'eau. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'hydrogène (H2) est produit par un reformeur (36) embarqué à bord du véhicule. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que l'enceinte de combustion (30) est alimentée en oxygène (02) par un apport d'air atmosphérique. 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régulation de l'injection des gaz comprimés (G) en fonction du régime de fonctionnement du moteur.