Brevet FR2883601A1 — publié le 20060929

La présente invention concerne un dispositif d'accélération d'un groupe de turbocompression aux bas régimes d'un moteur alternatif fonctionnant selon un cycle à quatre temps, ainsi qu'un moteur alternatif équipé d'un tel dispositif d'accélération du groupe de turbocompression. L'invention concerne également un procédé d'accélération d'un groupe de turbocompression aux bas régimes d'un moteur alternatif fonctionnant selon un cycle à quatre temps. Les moteurs diesel à quatre temps turbocompressés, comme par exemple ceux décrits dans les demandes de brevet en France n 03 03 728 et 05 01 156 au nom du Demandeur, sont caractérisés par un groupe de turbocompression haute pression adapté pour une vitesse de rotation inférieure à leur vitesse minimale d'utilisation dans le but de recycler un débit de gaz brûlés dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur. Le régime d'adaptation du groupe de turbocompression est la vitesse de rotation du moteur où la pression des gaz en amont de la turbine du groupe de turbocompression croise la pression de l'air en aval du compresseur de ce groupe de turbocompression. Les groupes de turbocompression connus jusqu'à présent sont mals adaptés aux moteurs des véhicules automobiles de petite cylindrée comme, par exemple de l'ordre de 1500 cm3. En effet, la miniaturisation des groupes de turbocompression trouve ses limites pour un diamètre du rotor voisin de 30 mm. Pour une telle dimension, aucune géométrie variable n'est envisageable sans compromettre gravement les rendements isentropiques de compression et de détente. Le surdimensionnement des groupes de turbocompression haute É 25 pression est particulièrement pénalisant pour les moteurs équipés d'un filtre à particules surtout lorsqu'il est disposé en amont de la turbine dudit groupe de turbocompression. En effet, dans ce cas, la turbine haute pression ne bénéficie pas des ondes de pression pour s'accélérer à partir du régime de ralenti du moteur. De plus, aucun débit de gaz ne peut être recyclé à l'admission du moteur à très bas régime pour limiter les émissions d'oxyde d'azote NOX et maintenir la température du catalyseur du filtre à particules. 2883601 2 Les constructeurs automobiles ont, pour améliorer l'accélération du groupe de turbocompression aux bas régimes du moteur, sous dimensionné la turbine de ce groupe de turbocompression et associé cette turbine à une vanne de décharge ou à un distributeur à section variable. Mais, le sous dimensionnement de la turbine est limité par la puissance maximale du moteur. Les constructeurs de groupes de turbocompression ont, par ailleurs, proposé un entraînement électrique ou hydraulique du turbocompresseur aux bas régimes de fonctionnement du moteur. Mais, cette solution onéreuse n'est pas assez puissante pour les forts taux de suralimentation. Le procédé décrit dans la demande de brevet en France n 03 03 728 également au nom du Demandeur permet de résoudre ce problème pour les moteurs ayant une cylindrée supérieure à 1900 cm3. La présente invention a pour but de résoudre ce problème en proposant un dispositif capable de générer un débit de gaz brûlés recyclés aux régimes inférieurs au régime d'adaptation et d'accélérer le groupe de turbocompression haute pression sans faire pomper le compresseur de ce groupe pour lesdits régimes. L'invention a donc pour objet un dispositif d'accélération d'un groupe de turbocompression aux bas régimes d'un moteur alternatif fonctionnant selon un cycle à quatre temps et comprenant au moins un cylindre muni d'au moins une soupape d'admission reliée à un collecteur d'admission et d'au moins une soupape d'échappement reliée à un collecteur d'échappement, ledit groupe de turbocompression comportant un compresseur d'air alimentant le collecteur d'admission et une turbine radiale alimentée par le collecteur d'échappement et entraînant le compresseur, caractérisé en ce qu'il comporte un éjecteur aérodynamique prélevant un flux propulseur sur les gaz d'échappement du moteur et un flux entraîné sur l'air délivré par le compresseur et formant un flux mélangé qui alimente la turbine du groupe de turbocompression. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - l'éjecteur comporte un mélangeur formé par la volute d'alimentation de la turbine prolongé vers l'amont par rapport au sens de circulation du flux mélangé, par une portion sensiblement rectiligne de longueur 2883601 3 suffisante pour homogénéiser le mélange entre le flux propulseur et le flux entraîné, - la portion sensiblement rectiligne du mélangeur se prolonge vers l'amont par une portion coaxiale sensiblement conique d'angle au sommet compris entre 20 et 40 communiquant avec le collecteur d'échappement, - l'éjecteur comporte un tube cylindrique dont la paroi extérieure est munie, à l'une de ses extrémités, d'une portion conique destinée à coopérer avec la portion conique du mélangeur, ledit tube étant déplaçable coaxialement audit mélangeur pour que les portions coniques forment une tuyère convergente annulaire de section variable d'accélération du flux propulseur, - le tube cylindrique est monté coulissant de façon étanche dans un guide aménagé dans la paroi du collecteur d'échappement et communique avec la sortie du compresseur par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour interdisant l'écoulement des gaz brûlés du collecteur d'échappement vers le compresseur, - la section de la tuyère varie entre la section d'entrée de la volute de la turbine et le tiers de ladite section d'entrée, - le tube cylindrique est solidaire, à son extrémité opposée à celle munie de la portion conique, d'un piston de commande monté coulissant dans un cylindre déterminant d'un côté du piston, une première chambre soumise à la pression de l'air délivré par le compresseur et, de l'autre côté de ce piston de commande, une seconde chambre comportant un ressort agissant sur ledit piston, ladite pression de l'air délivrée par le compresseur tendant à ouvrir la tuyère de l'éjecteur et la force du ressort tendant à fermer cette tuyère, et - la seconde chambre communique avec une pompe à vide pour modifier ou neutraliser la force du ressort. L'invention a également pour objet un moteur alternatif fonctionnant selon un cycle à quatre temps et comprenant un groupe de turbocompression, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'accélération du groupe de turbocompression aux bas régimes du moteur, tel que précédemment mentionné. 2883601 4 L'invention a aussi pour objet un procédé d'accélération d'un groupe de turbocompression aux bas régimes d'un moteur alternatif fonctionnant selon un cycle à quatre temps et comprenant un dispositif d'accélération dudit groupe de turbocompression tel que précédemment mentionné, caractérisé en ce qu'il consiste à fermer la tuyère de l'éjecteur aérodynamique. L'invention a également pour objet un procédé d'accélération d'un groupe de turbocompression aux bas régimes d'un moteur alternatif fonctionnant selon un cycle à quatre temps et comprenant un dispositif d'accélération du groupe de turbocompression tel que précédemment mentionné, et un conduit de recyclage des gaz brûlés, caractérisé en ce qu'il consiste à obstruer ledit conduit de recyclage, la section de la tuyère de l'éjecteur étant fixe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre et faite en référence à la figure unique annexée qui représente un schéma d'un cylindre d'un moteur alternatif équipé d'un dispositif d'accélération du groupe de turbocompression de ce moteur. Sur la Figure, on a représenté schématiquement un moteur 1 qui comporte au moins un cylindre la muni d'au moins une soupape d'admission 2 reliée à un collecteur d'admission 3 et d'au moins une soupape d'échappement 4 reliée à un collecteur d'échappement 5. Ce moteur 1 fonctionne selon un cycle à quatre temps, de préférence sans croisement des soupapes 2 et 4, pour empêcher une communication directe entre le collecteur d'admission 3 et le collecteur d'échappement 5. Le moteur 1 est suralimenté par un groupe de turbocompression désigné dans son ensemble par la référence 10 et comportant un compresseur d'air Il alimentant le collecteur d'admission 3 et une turbine radiale 12 alimentée par le collecteur d'échappement 5 et entraînant le compresseur 11 par des moyens mécaniques schématisés sur la figure par le trait mixte 13. Le moteur 1 est également équipé d'un conduit 6 de recyclage des gaz brûlés, également appelé conduit EGR, et muni d'une vanne de réglage 7, couramment appelée vanne EGR. 2883601 5 Le moteur 1 est équipé d'un dispositif d'accélération du groupe de turbocompression 10 aux bas régimes de ce moteur et qui comporte un éjecteur aérodynamique désigné dans son ensemble par la référence 20. D'une manière générale et comme cela sera décrit ultérieurement, l'éjecteur aérodynamique 20 prélève un flux propulseur sur les gaz d'échappement du moteur 1 et un flux entraîné sur l'air délivré par le compresseur 11 et forme un flux mélangé qui alimente la turbine 12 du groupe de turbocompression 10. L'éjecteur aérodynamique 20 comporte un mélangeur 21 qui est, dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure, formé par la volute d'alimentation de la turbine 12. Ce mélangeur 21 est prolongé vers l'amont par rapport au sens de circulation du flux mélangé par une portion 22 sensiblement rectiligne qui présente une longueur suffisante pour homogénéiser le mélange entre le flux propulseur et le flux entraîné de l'éjecteur aérodynamique 20. Cette portion 22 sensiblement rectiligne se prolonge par une portion coaxiale 23 sensiblement conique dont l'angle au sommet est par exemple compris entre 20 et 40 . La portion 23 communique avec le collecteur d'échappement 5. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure, l'éjecteur 20 comporte également un tube cylindrique 24 qui forme un conduit interne 25 et dont la paroi extérieure est munie, à l'une de ses extrémités 24a, d'une portion conique 24b destinée à coopérer avec la portion conique 23 du mélangeur 20. Le tube cylindrique 24 est monté coulissant de façon étanche dans un guide 26 qui présente une section interne de forme conjuguée à la paroi externe de ce tube cylindrique 24. Ce tube cylindrique 24 est déplaçable coaxialement au mélangeur 21 pour que les portions coniques, respectivement 23 et 24b, forment une tuyère 30 convergente annulaire de section variable d'accélération du flux propulseur. Le tube cylindrique 24 communique avec la sortie du compresseur 11 par un conduit de dérivation 31 par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 32 qui interdit l'écoulement des gaz brûlés du collecteur d'échappement 5 vers le compresseur 11. Pour cela, le clapet anti-retour 32 est 2883601 6 associé à un ressort 33 dont la force de rappel a tendance à appliquer le clapet 32 contre son siège 32a pour obturer le conduit de dérivation 31. Le tube cylindrique 24 comporte à son extrémité 24c opposée à celle munie de la portion conique 24b, un piston de commande 35 monté coulissant dans un cylindre 36 déterminant d'un côté de ce piston 35, une première chambre 37 soumise à la pression de l'air délivré par le compresseur 11 par l'intermédiaire du conduit de dérivation 31 et, de l'autre côté de ce piston de commande 35, une seconde chambre 38 comportant un ressort 39 agissant sur le piston 35. La pression de l'air délivré par le compresseur 11 et passant par le conduit de dérivation 31 a tendance à ouvrir le tuyère 30 en déplaçant par l'intermédiaire du piston 35, le tube cylindrique 24 tandis que la force exercée par le ressort 39 sur le piston 35 a tendance à fermer cette tuyère 30. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure, la seconde chambre 38 communique par l'intermédiaire d'une canalisation 40 avec une pompe à vide, non représentée, qui permet, dans certains cas de modifier ou neutraliser la force du ressort 39. La section de la tuyère 30 varie, de préférence, entre la section d'entrée de la volute de la turbine 12 et le tiers de ladite section d'entrée. Le moteur à quatre temps sans croisement de soupapes est susceptible de générer un débit de gaz brûlés proportionnel à son régime et à la densité des gaz dans le collecteur d'admission 3. La pression des gaz refoulés par le moteur 1 à un régime donné ne dépend que de la section de l'orifice d'échappement en l'occurrence, le distributeur de la turbine 12. Pour accélérer le turbocompresseur 11, la turbine 12 doit recevoir un débit de gaz dont la pression totale et/ou la température totale sont supérieures à celle du débit d'air délivré par le compresseur 11. Le débit délivré par le compresseur 11, égal au débit qui traverse la turbine 12, doit par ailleurs être supérieur au débit de pompage où le fonctionnement est instable. Au régime de ralenti, le débit aspiré par le moteur 1 est inférieur à ce débit minimal et la pression de refoulement des gaz brûlés est négligeable compte tenu du surdimensionnement de la turbine 12. 2883601 7 Dans le dispositif de l'invention représenté sur la figure, le compresseur 11 débite en parallèle dans le circuit d'admission du moteur 1 et dans le conduit de dérivation 31 qui alimente directement la turbine 12. Ainsi, cette turbine 12 est alimentée simultanément par l'air issu du conduit de dérivation 31 et par les gaz brûlés refoulés par le moteur 1. Dans le dispositif selon l'invention, le moteur 1 est utilisé comme un générateur de gaz comprimés qui propulse une partie du flux d'air délivré par le compresseur 11 dans la volute d'alimentation de la turbine 12 au moyen de l'éjecteur aérodynamique 20. Les gaz chauds accélérés par la tuyère 30 de cet éjecteur aérodynamique communiquent leur quantité de mouvement à l'air délivré par le conduit de dérivation 31 au moyen de l'éjecteur 20 dont le mélangeur 21 alimente la volute de la turbine 12. La section de la tuyère 30 de l'éjecteur 20 est réglable ce qui permet de contrôler le rapport entre le débit des gaz propulseurs et le débit de gaz de l'air entraîné. La section de la tuyère 30 peut être réglée en fonctionnement entre une valeur minimale qui permet l'accélération du groupe de turbocompression 10 et le débit de recyclage des gaz brûlés souhaité au ralenti et la section normale d'alimentation de la turbine 12 de ce groupe de turbocompression 10. Pour le fonctionnement au ralenti, la tuyère 30 est réglée à sa section minimale. La vanne de réglage 7 est ouverte et règle les débits de gaz chauds recyclés pour disposer dans le cylindre la de la quantité d'air juste nécessaire pour brûler le débit de carburant d'entretien du ralenti et une température d'admission aussi haute que possible pour limiter le bruit et les imbrûlés de combustion. La richesse est de préférence régulée par le calculateur - 25 de contrôle du moteur 1. Dans ces conditions, la pression d'admission dans le collecteur d'admission 3 est voisine de la pression atmosphérique et la pression d'échappement dans le collecteur d'échappement 5 est légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Pour augmenter la pression d'air délivrée par le groupe de turbocompression 10 sans modifier le régime du ralenti du moteur 1, il suffit de fermer la vanne de réglage 7 sans modifier la section de la tuyère 30. La pression dans le collecteur d'échappement 5 augmente ainsi que la vitesse du jet émis par 2883601 8 la tuyère 30 qui entraîne un débit d'air par le conduit de dérivation 31 auquel il transfert sa quantité de mouvement dans le mélangeur 21. La pression totale en amont de la turbine 12 étant supérieure à la pression délivrée par le compresseur 11, ce dernier s'accélère jusqu'à une vitesse maximale quand la vanne de réglage 7 est fermée. Le moteur 1 ainsi suralimenté à son régime de ralenti, est susceptible de délivrer un couple pour accélérer le véhicule. Quand le moteur 1 s'accélère pour atteindre le régime d'adaptation, la tuyère 30 de l'éjecteur 20 doit être progressivement ouverte jusqu'à la section normale d'alimentation de la turbine 12 pour limiter la pression des gaz dans le collecteur d'échappement 5. Le pourcentage d'air entraîné vers la turbine 12 décroît alors jusqu'à zéro et le clapet anti-retour 32 se ferme pour interdire un reflux de gaz chauds vers la sortie du compresseur 11. Cette manoeuvre est régulée par le ressort 39 qui est en appui sur une face du piston 35 dont l'autre face est soumise à la pression délivrée par le compresseur 11. Le tarage et la raideur du ressort 39 fixent les niveaux de pression d'air accessible sur ce mode de régulation. Ce mode de régulation peut être modifié ou neutralisé en mettant la chambre 38 qui comporte le ressort 39 en communication avec une pompe à vide par une électrovanne pilotée à trois voies, non représentées. L'ouverture progressive de la tuyère 30 de l'éjecteur 20 peut être accompagnée d'une ouverture partielle de la vanne de réglage 7 afin de maintenir le taux de gaz recyclés à une valeur souhaitée. Entre le ralenti et un régime égal au double du régime d'adaptation, le dispositif selon l'invention permet de maintenir un taux de gaz recyclés élevé et/ou de délivrer un couple élevé. De préférence, la vanne de réglage 7 contrôle le taux de gaz recyclés et la tuyère 30 de l'éjecteur 20 actionnée par le piston 35 contrôle la richesse de la combustion du moteur. Un avantage du dispositif selon l'invention est le contrôle de la température d'admission qui permet d'exploiter des taux de compression réduits par temps froid. Un autre avantage du dispositif selon l'invention est le frein 30 moteur obtenu par la fermeture simultanée de la vanne de réglage 7 et de la tuyère 30 de l'éjecteur aérodynamique 20. 2883601 9 A chaque levée de pied du conducteur de la pédale d'accélérateur, la tuyère 30 peut se fermer et la vanne de réglage 7 peut s'ouvrir pour alimenter le moteur 1 en gaz chauds afin de ne pas refroidir les dispositifs de post-traitement des gaz d'échappement. Si le conducteur souhaite ralentir le véhicule en actionnant la pédale frein, celle-ci peut prioritairement fermer la vanne de réglage 7 pour accroître la contre pression d'échappement et créer du frein moteur. L'énergie cinétique du véhicule est alors utilisée pour entraîner le groupe de turbocompression 10 et permette une reprise instantanée à l'issue du ralentissement. L'invention autorise de nombreuses stratégies de contrôle de fonctionnement du moteur qui sont familières de l'homme de l'art. 2883601 10 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'accélération d'un groupe de turbocompression (10) aux bas régimes d'un moteur alternatif (1) fonctionnant selon un cycle à quatre temps et comprenant au moins un cylindre (la) muni d'au moins une soupape d'admission (2) reliée à un collecteur d'admission (3) et d'au moins une soupape d'échappement (4) reliée à un collecteur d'échappement (5), ledit groupe de turbocompression (10) comportant un compresseur d'air (11) alimentant le collecteur d'admission (3) et une turbine radiale (12) alimentée par le collecteur d'échappement (5) et entraînant le compresseur (11), caractérisé en ce qu'il comporte un éjecteur aérodynamique (20) prélevant un flux propulseur sur les gaz d'échappement du moteur (1) et un flux entraîné sur l'air délivré par le compresseur (11) et formant un flux mélangé qui alimente la turbine (12) du groupe de turbocompression (10). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'éjecteur (20) comporte un mélangeur (21) formé par la volute d'alimentation de la turbine (12) prolongée vers l'amont, par rapport au sens de circulation du flux mélangé, par une portion (22) sensiblement rectiligne de longueur suffisante pour homogénéiser le mélange entre le flux propulseur et le flux entraîné. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la portion sensiblement rectiligne du mélangeur (21) se prolonge vers l'amont par une portion (23) coaxiale sensiblement conique d'angle au sommet compris par exemple entre 20 et 40 communiquant avec le collecteur d'échappement (5). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'éjecteur (20) comporte un tube cylindrique (24) dont la paroi extérieure est munie, à l'une (24a) de ses extrémités, d'une portion conique (24b) destinée à coopérer avec la portion conique (23) du mélangeur (21), ledit tube (24) étant déplaçable coaxialement audit mélangeur (21) pour que les deux portions coniques (23, 24b) forment une tuyère (30) convergente annulaire de section variable d'accélération du flux propulseur. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube cylindrique (24) est monté coulissant de façon étanche dans un guide (26) aménagé dans la paroi du collecteur d'échappement (5) et communique avec la 2883601 11 sortie du compresseur (11) par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour (32) interdisant l'écoulement des gaz brûlés du collecteur d'échappement (5) vers le compresseur (10). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section de la tuyère (30) varie entre la section d'entrée de la volute (21) de la turbine (12) et le tiers de ladite section d'entrée. 7. Dispositif selon la revendication 4 ou 6, caractérisé en ce que le tube cylindrique (25) est solidarisé, à son extrémité (24c) opposée à celle munie de la portion conique (24b), d'un piston de commande (35) monté coulissant dans un cylindre déterminant d'un côté du piston (35), une première chambre (37) soumise à la pression de l'air délivré par le compresseur (11) et, de l'autre côté de ce piston de commande (35), une seconde chambre (38) comportant un ressort (39) agissant sur le piston (35), ladite pression de l'air délivré par le compresseur (11) tendant à ouvrir la tuyère (30) de l'éjecteur (20) et la force du ressort (39) tendant à fermer cette tuyère (30). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la seconde chambre (38) communique avec une pompe à vide pour modifier ou neutraliser la force du ressort (39). 9. Moteur alternatif fonctionnant selon un cycle à quatre temps et comprenant un groupe de turbocompression (10), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'accélération du groupe de turbocompression (10) aux bas régimes du moteur, selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Procédé d'accélération d'un groupe de turbocompression (10) aux bas régimes d'un moteur alternatif (1) fonctionnant selon un cycle à quatre 25 temps et comprenant un dispositif d'accélération dudit groupe de turbocompression (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à fermer la tuyère (30) de l'éjecteur aérodynamique (20). 11. Procédé d'accélération d'un groupe de turbocompression (10) aux bas régimes d'un moteur alternatif (1) fonctionnant selon un cycle à quatre temps et comprenant un dispositif d'accélération du groupe de turbocompression (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, et un conduit (6) de 2883601 12 recyclage des gaz brûlés, caractérisé en ce qu'il consiste à obstruer ledit conduit de recyclage (6), la section de la tuyère (30) de l'éjecteur (20) étant fixe.