Brevet FR2872858A1 — publié le 20060113

Moteur thermique suralimenté à compresseur additionnel La présente invention se rapporte à un moteur thermique 5 suralimenté équipé d'un compresseur additionnel, et à un procédé de mise en oeuvre dudit compresseur additionnel. Ce moteur thermique suralimenté est aussi bien un moteur de type diesel qu'un moteur à allumage commandé. Des moteurs thermiques suralimentés connus comprennent de io façon classique un turbocompresseur constitué d'une turbine et d'un compresseur. Le moteur présentant une entrée d'admission pour l'entrée d'un mélange combustible et une sortie d'échappement pour la sortie des gaz échappement, les gaz échappement sont adaptés à entraîner ladite turbine qui elle-même est couplée au compresseur de façon à ce que ce dernier puisse comprimer le mélange combustible. De la sorte, on utilise l'énergie résiduelle fournie par les gaz d'échappement pour augmenter la pression du mélange combustible à l'entrée d'admission et ainsi amélioré le rendement du moteur. Pour améliorer plus encore ce rendement, il a été imaginé de comprimer davantage le mélange combustible à l'entrée d'admission. Pour ce faire, il a été proposé d'équiper le turbocompresseur d'un moteur électrique complémentaire. Ainsi, l'arbre qui relie la turbine et le compresseur son couplé en rotation à un moteur électrique et ce dernier est activé par des moyens de commande en cas de besoin. On pourra se référer notamment au document US 8 637 205 qui illustre un tel dispositif. Cependant, la turbine et le compresseur étant solidaire en rotation le moteur électrique ne peut les entraîner indépendamment l'une de l'autre. Ce qui ne permet pas d'intervenir de façon efficace dans toutes les phases de fonctionnement du moteur. Un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention, est alors de fournir un moteur thermique suralimenté qui permette non seulement d'intervenir dans toutes les phases de 2 2872858 fonctionnement du moteur mais aussi, qui soit mécaniquement indépendant du turbocompresseur. Dans ce but est selon un premier objet, la présente invention propose un moteur thermique suralimenté comprenant des cylindres de combustion et un turbocompresseur, les cylindres présentant une entrée d'admission pour l'entrée d'un mélange combustible et une sortie d'échappement pour la sortie des gaz d'échappement et ledit turbocompresseur comportant une turbine couplée en rotation à un premier compresseur, ladite sortie d'échappement étant reliée à la turbine i0 pour que les gaz d'échappement entraînent en rotation ladite turbine tandis que ledit premier compresseur est relié à l'entrée d'admission pour comprimer simultanément ledit mélange d'admission, ledit moteur thermique comprenant en outre un second compresseur qui présente une sortie et qui permet d'augmenter la compression dudit mélange d'admission; la sortie dudit second compresseur étant raccordée à ladite sortie d'échappement pour augmenter la pression desdits gaz d'échappement de façon à augmenter la vitesse de rotation de ladite turbine et dudit premier compresseur. Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en oeuvre d'un second compresseur, dont la sortie est directement connectée à la sortie d'échappement pour pouvoir augmenter la pression des gaz échappement lorsqu'on le souhaite. De la sorte, en augmentant la pression des gaz échappement, la vitesse de la turbine est parallèlement augmentée et partant, la vitesse du premier compresseur. Ce dernier augmente alors à son tour la pression du mélange combustible à l'entrée d'admission. En conséquence, et notamment lorsque le moteur thermique tourne à bas régime, c'est-à-dire lorsque sa vitesse de rotation est faible et que les gaz échappement fournissent peu d'énergie à la turbine, de l'énergie complémentaire peut ainsi lui être fournie par l'intermédiaire du second compresseur. 3 2872858 De la sorte, le second compresseur ne présente aucun lien mécanique avec le turbocompresseur, ce qui constitue un avantage d'un point de vue de l'usure. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, ledit second compresseur comporte un premier dispositif de compression entraîné par un moteur électrique, lequel est aisément commandable par des contacteurs eux-mêmes susceptibles d'être actionné par des moyens automatiques. Toutefois, selon un autre mode de mise en oeuvre avantageux, ledit second compresseur comporte un lo second dispositif de compression adapté à être entraîné par ledit moteur thermique. Selon une variante de réalisation de l'invention, ledit second compresseur comprend un réservoir d'air sous pression adapté à être connecté à ladite sortie d'échappement. Ainsi, le second compresseur par exemple, alimente que ledit réservoir jusqu'à une pression déterminée supérieure à la pression des gaz d'échappement. De la sorte le réservoir permettra d'alimenter la sortie d'échappement lorsque nécessaire. Le second compresseur est activé dès que la pression du réservoir diminue en dessous d'un seuil donné. De manière préférentielle, le moteur thermique comprend un clapet antiretour monté entre la sortie dudit second compresseur et ladite sortie d'échappement de façon à éviter que les gaz échappement remontent vers le second compresseur lorsque ce dernier n'est pas en fonctionnement. Selon un second objet, la présente invention propose un procédé de suralimentation d'un moteur thermique tel que défini ci-dessus, ledit moteur thermique étant adapté à être porté d'un bas régime à faible vitesse de rotation vers un haut régime à grande vitesse de rotation en passant par des phases transitoires d'accélération et des phases stabilisées à vitesse constante, selon ledit procédé on augmente la pression desdits gaz d'échappement à bas régime et/ou dans les phases d'accélération. 4 2872858 Ainsi, grâce au moteur thermique conforme à l'invention et audit procédé de suralimentation, on fournit de l'énergie à ladite turbine lorsque le moteur est à bas régime et/ou dans les phases d'accélération, précisément à des moments où les gaz d'échappement ne fournissent que peu d'énergie. En outre, et de façon avantageuse on augmente la pression desdits gaz d'échappement dans les phases stabilisées et en particulier dans les phases stabilisées voisines du bas régime moteur. De façon préférentielle, on active ledit clapet anti-retour dès que ledit io second compresseur est désactivé de manière à éviter que les gaz d'échappement provenant de la sortie d'échappement puissent entrer dans la sortie du compresseur en sens inverse. Selon encore un autre mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, lesdits gaz d'échappement comportant des gaz imbrûlés dans certaines phases de fonctionnement dudit moteur thermique, on augmente la pression desdits gaz d'échappement en air pour oxyder lesdits gaz imbrûlés. Ainsi, non seulement on augmente la pression des gaz échappement pour fournir plus d'énergie à la turbine mais aussi on active la post-oxydation des gaz imbrûlés ce qui apporte un surcroît d'énergie à la turbine et améliore plus encore le rendement du moteur. Par ailleurs, cette post-oxydation permet d'éviter que des gaz imbrûlés soient rejetés dans l'atmosphère. En outre, dans certains cas il est opportun d'injecter de l'air dans la conduite d'échappement pour favoriser la dépollution des gaz 25 échappement eux-mêmes. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - l'unique Figure est un schéma synoptique des différents éléments de l'invention et de leurs liaisons. 2872858 L'unique Figure illustre un moteur thermique suralimenté conforme à l'invention. Il comprend trois cylindres de combustion 10, 12, 14, ménagés dans une culasse 15 et un turbo compresseur 16 dont seule une turbine 18 logée dans un carter 19, est ici représentée. Par ailleurs, les cylindres de combustion 10, 12, 14 sont reliés à la turbine 18 par l'intermédiaire de six pipes d'échappement 20, deux pour chacun des cylindres, les pipes d'échappement 20 convergeant vers un collecteur d'échappement 22 directement relié au carter 19 de ladite turbine 18. Les cylindres de combustion 10, 12, 14, présentent en outre des entrées d'admission non représentées permettant l'injection d'un mélange combustible. Au surplus, la turbine 18 est reliée à un premier compresseur non représenté, par l'intermédiaire d'un arbre de transmission 24. Ce premier compresseur est destiné à comprimer le mélange d'admission lorsque la turbine 18 est entraînée en rotation. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le moteur thermique comprend un second compresseur 26, ou compresseur additionnel, qui présente une entrée 28 et une sortie 30, ladite sortie 30 étant connectée au collecteur d'échappement 22, en amont de la turbine 18, par l'intermédiaire d'un conduit de raccordement 32. Ce second compresseur 26 est ici entraîné en rotation au moyen d'un moteur électrique 34 ce qui permet de le commander par des contacteurs reliés, par exemple, à un calculateur du véhicule automobile dans lequel est logé ledit moteur thermique. Par ailleurs, le conduit de raccordement est muni d'un clapet anti-retour 36 situé au plus près du collecteur d'échappement 22 de manière à perturber le moins possible l'écoulement des gaz d'échappement dans ledit collecteur d'échappement 22 lorsque ce clapet anti-retour 36 est dans une position d'obturation. Ainsi, grâce au moteur thermique décrit ci-dessus il est possible, notamment, d'obtenir un couple moteur satisfaisant même à bas régime sans pour autant compromettre la puissance maximale du moteur. En effet, l'un des points critiques des moteurs suralimentés est généralement le manque d'énergie récupérable, à bas régime, pour alimenter la turbine 6 2872858 et donc la vitesse de rotation du premier compresseur. Grâce au moteur thermique conforme à l'invention, les débits de gaz échappement vont être augmentés et par là-même l'énergie qui est fournie à la turbine. Ainsi donc, le compresseur additionnel 26 sera mis en oeuvre dans toutes les phases de fonctionnement du moteur où il est nécessaire d'améliorer ses performances et son rendement, notamment pendant les phases d'accélération du véhicule qui sont des phases transitoires et à bas régime, où l'énergie disponible au niveau de la turbine est insuffisante. l0 Le débit global des gaz d'échappement vu par la turbine 18 qui s'écoulent selon les flèches F dans les pipes d'échappement 20 puis dans le collecteur d'échappement 22, est relativement faible lorsque le moteur tourne à bas régime en comparaison du débit des gaz d'échappement dans les hauts régimes. Ainsi, à bas régime les gaz d'échappement is fournissent très peu d'énergie à la turbine 18 qui elle-même en transmet également très peu au premier compresseur de sorte que le mélange d'admission est très peu comprimé. En conséquence, le rendement du moteur est relativement faible. Selon le procédé de suralimentation conforme à l'invention, lorsque le moteur est à bas régime et que sa vitesse de rotation est faible, d'une part on porte le clapet anti-retour 36 dans une position d'ouverture et d'autre part on active le compresseur additionnel 26 par l'intermédiaire de son moteur électrique 34. De la sorte, le compresseur additionnel 26 aspire par exemple de l'air par son entrée 28 et refoule cet air sous pression à travers sa sortie 30 dans le conduit de raccordement 32 vers le collecteur d'échappement 22 selon le sens de la flèche A. Cet air sous pression débouche alors dans le collecteur d'échappement 22 et augmente globalement le débit des gaz d'échappement vu par la turbine 18. Ainsi, l'énergie fournie à la turbine 18 est augmentée et partant l'énergie mécanique transmise au premier compresseur. De la sorte, à bas régime le mélange d'admission peut subir une compression 7 2872858 supplémentaire qui permet d'augmenter le remplissage et le rendement du moteur. Le compresseur additionnel 26, est également susceptible d'être mis en oeuvre dans les phases transitoires d'accélération du moteur pour augmenter plus encore la compression du mélange d'admission. En revanche, dès que le moteur est dans un régime de fonctionnement normal, le compresseur additionnel 26 est désactivé et simultanément le clapet antiretour 36 est porté dans sa position d'obturation. De la sorte, les gaz d'échappement qui s'écoulent dans le collecteur d'échappement io 22 ne pénètrent pas dans le conduit de raccordement 32. Avantageusement, le clapet anti-retour 36 est monter directement à la jointure entre le conduit de raccordement 32 et le collecteur d'échappement 22 afin de ne pas perturber l'écoulement des gaz échappement lorsque le moteur est dans ledit régime de fonctionnement normal. REVENDICATIONS 1. Moteur thermique suralimenté comprenant des cylindres de combustion (10, 12, 14) et un turbocompresseur, les cylindres présentant une entrée d'admission pour l'entrée d'un mélange combustible et une sortie d'échappement (20, 22) pour la sortie des gaz d'échappement et ledit turbocompresseur comportant une turbine (18) couplée en rotation à un premier compresseur, ladite sortie d'échappement étant reliée à la l0 turbine (18) pour que les gaz d'échappement entraînent en rotation ladite turbine tandis que ledit premier compresseur est relié à l'entrée d'admission pour comprimer simultanément ledit mélange d'admission, ledit moteur thermique comprenant en outre un second compresseur (26) qui présente une sortie (30) et qui permet d'augmenter la compression dudit mélange d'admission; caractérisé en ce que la sortie (30) dudit second compresseur (26) est raccordée à ladite sortie d'échappement (20, 22) pour augmenter la pression desdits gaz d'échappement de façon à augmenter la vitesse de rotation de ladite turbine (18) et dudit premier compresseur. 2. Moteur thermique suralimenté selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second compresseur (26) comporte un premier dispositif de compression entraîné par un moteur électrique (34). 3. Moteur thermique suralimenté selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second compresseur (26) comporte un second dispositif de compression adapté à être entraîné par ledit moteur thermique. 4. Moteur thermique suralimenté selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit second compresseur (26) comprend un réservoir d'air sous pression adapté à être connecté à ladite sortie d'échappement (20, 22). 5. Moteur thermique suralimenté selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un clapet anti- 9 2872858 retour (36) monté entre la sortie (30) dudit second compresseur (26) et ladite sortie d'échappement (20, 22). 6. Procédé de suralimentation d'un moteur thermique selon l'une quelconque des revendication 1 à 5, ledit moteur thermique étant adapté à être porté d'un bas régime à faible vitesse de rotation vers un haut régime à grande vitesse de rotation en passant par des phases transitoires d'accélération et des phases stabilisées à vitesse constante, caractérisé en ce qu'on augmente la pression desdits gaz d'échappement à bas régime et/ou dans les phases d'accélération. i0 7. Procédé de suralimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on augmente la pression desdits gaz d'échappement dans les phases stabilisées. 8. Procédé de suralimentation selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'on active ledit clapet anti-retour (36) dès que ledit 15 second compresseur (26) est désactivé. 9. Procédé de suralimentation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que, lesdits gaz d'échappement comportant des gaz imbrûlés dans certaines phases de fonctionnement dudit moteur thermique, on augmente la pression desdits gaz d'échappement en air pour oxyder lesdits gaz imbrûlés.