Brevet FR2904365A1 — publié le 20080201

Moteur à combustion interne comprenant un dispositif de suralimentation en air La présente invention porte sur un moteur à combustion interne comprenant un dispositif de suralimentation en air, notamment pour véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne comprenant un dispositif de suralimentation en air muni d'un premier et un deuxième turbocompresseurs à haute pression montés en parallèle et alimentant en air un premier et un deuxième ensembles de cylindres du moteur. On connaît, par le brevet US 4 709 552, un moteur à combustion interne comprenant un dispositif de suralimentation en air muni d'un premier et un deuxième turbocompresseurs à haute pression montés en parallèle et alimentant les cylindres du moteur. Ainsi, même à de faibles vitesses de rotation du moteur, la turbine du premier turbocompresseur peut délivrer une puissance conséquente au compresseur associé, et ainsi permettre au moteur de fournir une charge conséquente. Un tel ensemble ne permet pas de s'adapter finement aux variations de la vitesse de rotation du moteur. En outre, un tel ensemble ne permet pas de gérer efficacement le fonctionnement du moteur en régime transitoire, c'est-à-dire entre deux états relativement stables de fonctionnement du moteur, respectivement compris dans une gamme de valeurs de vitesse de rotation du moteur. Un but de l'invention est de pallier à ces inconvénients, à coût réduit. Un autre but de l'invention est d'améliorer la nervosité du moteur à faible vitesse de rotation du moteur. 2904365 2 Aussi, selon un aspect de l'invention, il est proposé un moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, comprenant un dispositif de suralimentation en air. Le dispositif de suralimentation en air est muni d'un premier turbocompresseur à haute 5 pression et d'un deuxième turbocompresseur à haute pression montés en parallèle et alimentant en air un premier ensemble de cylindres et un deuxième ensemble de cylindres du moteur. Le dispositif de suralimentation comprend, en outre, un troisième turbocompresseur à basse pression monté en série avec lesdits premier et deuxième 10 turbocompresseurs à haute pression et capable d'alimenter en air lesdits premier et deuxième turbocompresseurs. Un tel dispositif de suralimentation permet de mieux gérer le fonctionnement du moteur en régime transitoire, et de limiter la pression en amont des turbines d'échappement, ce qui permet de 15 réduire la consommation du moteur à vitesse de rotation élevée. Selon un mode de réalisation, le dispositif de suralimentation comprend, en outre, un circuit de dérivation d'admission muni d'une vanne commandée pour by-passer au moins un compresseur desdits turbocompresseurs à haute pression, selon le point de fonctionnement 20 du moteur. Le circuit de dérivation d'admission permet de by-passer ou contourner par dérivation les premier et deuxième compresseurs, de façon qu'ils ne compriment pas l'air admis dans le moteur. Selon un mode de réalisation, au moins un des compresseurs 25 desdits turbocompresseurs à haute pression est équipé d'une vanne commandée de régulation de débit permettant d'isoler ledit compresseur. 2904365 Ainsi, il est possible de gérer les écoulements des gaz d'alimentation en air frais du moteur dans les compresseurs des turbocompresseurs à haute pression. Selon un mode de réalisation, le dispositif de suralimentation 5 comprend, en outre, un circuit de dérivation d'échappement des gaz d'échappement du moteur pour by-passer au moins une turbine desdits turbocompresseurs à haute pression selon le point de fonctionnement du moteur. Le circuit de dérivation d'échappement permet de by-passer ou 10 contourner par dérivation les première et deuxième turbines, de façon à ne pas fournir d'énergie aux compresseurs des turbocompresseurs à haute pression qui ne compriment. L'air admis peut, dans ce cas être comprimé par le compresseur du troisième turbocompresseur à basse pression. 15 Selon un mode de réalisation, au moins une desdites turbines desdits turbocompresseurs à haute pression est équipée d'une vanne commandée de régulation de débit permettant d'isoler ladite turbine. Ainsi, il est possible de gérer les écoulements des gaz d'échappement du moteur dans les turbines des turbocompresseurs à 20 haute pression. Selon un mode de réalisation, la taille des premier et deuxième turbocompresseurs à haute pression est petite par rapport à la taille du troisième turbocompresseur à basse pression. Selon un mode de réalisation, le dispositif de suralimentation 25 comprend, en outre, des moyens de commande desdites vannes commandées en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur, qui peuvent, par exemple, comprendre la vitesse de rotation du moteur et/ou la charge du moteur. 2904365 4 Dans un mode de réalisation, les cylindres du moteur sont alignés ou disposés en V. Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé un procédé de suralimentation d'un moteur à combustion interne, 5 notamment pour véhicule automobile, dans lequel on alimente en air comprimé deux ensembles distincts de cylindres du moteur, de façon différente selon la vitesse de rotation du moteur, à l'aide de combinaisons différentes de circulation de l'air d'admission et des gaz d'échappement du moteur dans deux turbocompresseurs à haute 10 pression et un turbocompresseur à basse pression. Selon un mode de mise en oeuvre, lorsque le moteur fonctionne à haute vitesse de rotation, les deux ensembles de cylindres sont alimentés en air comprimé uniquement par le compresseur à basse pression. 15 D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, de quelques exemples nullement limitatifs, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente un moteur à combustion interne muni 20 d'un dispositif de suralimentation en air selon un aspect de l'invention ; - la figure 2 illustre un premier mode de fonctionnement du moteur de la figure 1 dans une première gamme de vitesses de rotation du moteur ; 25 - la figure 3 illustre un deuxième mode de fonctionnement d'un moteur selon la figure 1 dans une deuxième gamme de vitesses de rotation du moteur ; 2904365 5 - la figure 4 illustre un troisième mode de fonctionnement d'un moteur selon la figure 1 dans une deuxième gamme de vitesses de rotation du moteur ; et - la figure 5 illustre un quatrième mode de fonctionnement d'un 5 moteur selon la figure 1 dans une troisième gamme de vitesses de rotation du moteur. Tel qu'illustré sur la figure 1, un moteur 1 est muni d'un dispositif de suralimentation en air désigné par la référence numérique générale 2. 10 Un premier turbocompresseur à haute pression 3 est monté en parallèle avec un deuxième turbocompresseur à haute pression 4. Le premier turbocompresseur à haute pression 3 comprend un premier compresseur d'admission 5 et une première turbine d'échappement 6, et le deuxième turbocompresseur à haute pression 4 comprend un 15 deuxième compresseur d'admission 7 et une deuxième turbine d'échappement 8. Les deux turbocompresseurs 3 et 4 peuvent être identiques ou de taille différente pour pouvoir mieux les adapter au fonctionnement du moteur à pleine charge ou à charge partielle. Un troisième turbocompresseur à basse pression 9, comprenant 20 un troisième compresseur d'admission 10 et une troisième turbine d'échappement 11, est monté en série avec l'ensemble des deux turbocompresseurs à haute pression 3 et 4 montés en parallèle. Les turbocompresseurs 3, 4 et 9 peuvent être à géométrie fixe ou à géométrie variable selon les applications. Les turbines des 25 turbocompresseurs à géométrie fixe peuvent être munies d'un circuit de by-pass interne avec vanne de décharge. De préférence, les turbocompresseurs à haute pression 3 et 4 sont de taille relativement petite par rapport au turbocompresseur à basse pression 9. 2904365 6 Le compresseur 10 délivre à sa sortie de l'air comprimé dont la pression peut encore être augmentée par les deux compresseurs 5 et 7 à haute pression. Dans la présente description, on qualifiera donc le turbocompresseur de "basse pression". La turbine 11 est de 5 perméabilité élevée en comparaison de la perméabilité des deux turbines 6 et 8. La perméabilité représente l'aptitude à être traversée par un fluide. Les collecteurs d'admission et d'échappement du moteur 1 sont respectivement référencés 12 et 13. 10 Dans l'exemple illustré, le moteur 1 comprend également un circuit de recirculation partielle des gaz d'échappement (EGR) équipé d'une vanne de recirculation commandée 15 permettant de gérer le taux de recirculation des gaz d'échappement dans le moteur 1. Dans l'exemple illustré, le moteur 1 comprend un premier 15 ensemble de quatre cylindres 16 et un deuxième ensemble de quatre cylindres 17 disposés en V. En variante, ces deux ensembles de cylindres peuvent être alignés ou disposés d'une autre manière. L'invention peut également s'appliquer à des moteurs comportant deux ensembles de trois cylindres. 20 Un circuit de dérivation d'admission 18 relie la sortie du troisième compresseur 10 aux sorties des premier et deuxième compresseurs 5 et 7, et permet d'éviter ou by-passer le premier compresseur 5 et/ou le deuxième compresseur 7. Un circuit de dérivation d'échappement 19 relie les collecteurs 25 d'échappement 13 des premier et deuxième ensembles de cylindres 16 et 17 du moteur 1 à l'entrée de la troisième turbine 11. Le circuit de dérivation d'échappement 19 permet d'éviter ou by-passer la première turbine 6 et/ou la deuxième turbine 8. 2904365 7 L'air pénètre par un conduit 20 véhiculant l'air admis jusqu'à un filtre à air 21 relié à l'entrée du troisième compresseur à basse pression 10 par un conduit 22. Un conduit 23 relie la sortie du troisième compresseur à basse pression 10 à l'entrée du premier 5 compresseur à haute pression 5 avec interposition d'un refroidisseur d'air de suralimentation 25 optionnel, pour refroidir l'air comprimé par le troisième compresseur 10. Une première vanne commandée 24 de régulation du débit des gaz est disposée sur le conduit 23, en amont du premier compresseur à haute pression 5. 10 La sortie du premier compresseur à haute pression 5 est reliée à l'entrée du premier ensemble de cylindres 16 par un conduit 26 équipé d'un refroidisseur d'air de suralimentation 27 destiné à refroidir l'air comprimé issu du premier compresseur 5. Sur le conduit 23, en amont de la vanne commandée 24, est 15 piqué un conduit 28 reliant le conduit 23 à l'entrée du deuxième compresseur à haute pression 7. Le conduit 28 est muni d'une vanne commandée 29 de régulation de débit. La sortie du deuxième compresseur 7 est reliée à l'entrée du deuxième ensemble de cylindres 17 du moteur 1 par un conduit 30 20 muni d'un refroidisseur d'air de suralimentation 31 destiné à refroidir l'air comprimé issu du deuxième compresseur 7. Le circuit d'alimentation comprend en outre un conduit 33 établissant une communication entre le conduit 26 et le conduit 30. Le circuit de dérivation d'admission 18 comprend un conduit 25 34 piqué sur le conduit 23 en amont de la vanne commandée 24, et sur le conduit 26, entre la sortie du premier compresseur 5 et l'entrée du radiateur d'air de suralimentation 27. Le circuit de dérivation d'admission 18 est muni d'une vanne commandée 35 de régulation de débit, montée sur le conduit 34. 2904365 Le collecteur d'échappement 13 des cylindres 16 est relié par un conduit 36 à l'entrée de la première turbine d'échappement 6. Le conduit 36 est muni d'une vanne commandée 37 de régulation de débit. La sortie de la première turbine 6 est reliée à l'entrée de la troisième 5 turbine 11 par un conduit 38, et la sortie de la troisième turbine 11 est reliée à un conduit 39 permettant d'évacuer les gaz de combustion issus du moteur 1. Le circuit d'échappement 13 des cylindres 17 est relié par un conduit 40 à l'entrée de la deuxième turbine d'échappement 8. Le 10 conduit 40 est équipé d'une vanne commandée 41 de régulation de débit disposée en amont de la turbine 8. La sortie de la turbine 8 est reliée au conduit 38 par un conduit 42. En outre, le circuit de dérivation d'échappement 19 comprend un conduit 43 piqué sur le conduit 40 en amont de la vanne 15 commandée 41 et sur le conduit 36 en amont de la vanne commandée 37. Le circuit de dérivation d'échappement 19 comprend également un conduit 44 piqué sur le conduit 36 en amont de la vanne commandée 37 et sur le conduit 38. Le conduit 44 est équipé d'une vanne commandée 45 de régulation de débit. 20 La recirculation des gaz d'échappement EGR est réalisée par un conduit 46 reliant le conduit 26 au conduit 30, et un conduit 47, reliant le conduit 43 et le conduit 46, et muni de la vanne de recirculation commandée 15 ou vanne EGR. Une unité de commande électronique UCE 50 permet de 25 commander les vannes de régulation de débit 35, 45, 29, 24, 41, 37 et 15, respectivement par des connexions 51, 52, 53, 54, 55, 56 et 57. L'unité de commande électronique 50 reçoit des valeurs de paramètres de fonctionnement du moteur fournies par des capteurs ou 2904365 9 des estimateurs, non représentés sur la figure, et capables notamment de déterminer la vitesse de rotation et la charge du moteur 1. Sur les figures suivantes, sont illustrés divers modes de fonctionnement du système représenté sur la figure 1, sur lesquels les 5 conduits représentés en traits épais ou gras correspondent aux conduits dans lesquels les gaz circulent effectivement, en fonction des fermetures et ouvertures des diverses vannes commandées. La figure 2 illustre un mode de fonctionnement du système représenté sur la figure 1 pour une vitesse de rotation du moteur 10 comprise dans une première gamme de valeurs correspondant à un fonctionnement du moteur à faible vitesse de rotation, par exemple, à une vitesse de rotation comprise entre 800 tours/min et 2000 tours/min. Dans ce mode de fonctionnement, on cherche à favoriser le 15 couple et le brio à très bas régime de rotation du moteur. A cet effet, les vannes commandées 29, 35, 45 et 41 sont fermées. Aussi, les gaz d'échappement du moteur traversent d'abord la première turbine 6, de petite taille, qui permet de récupérer un maximum d'énergie afin d'entraîner le premier compresseur à haute pression 5. Les gaz 20 d'échappement traversent ensuite la troisième turbine 11, qui est pilotée de manière à présenter une perméabilité élevée en ouvrant la vanne de décharge si celle-ci est prévue, ou en agissant sur la géométrie variable de la turbine. Dans ce cas, il n'y a quasiment pas de détente dans cette turbine et elle est pratiquement inactive. 25 L'air frais traverse d'abord le troisième compresseur à basse pression 10, qui ne comprime presque pas le gaz, car, comme expliqué ci-dessus, la troisième turbine 11 est quasiment inactive, et ne fournit ainsi quasiment aucune énergie au troisième compresseur à basse pression 10. Le troisième compresseur à basse pression 10 est ainsi 2904365 10 transparent ou inactif pour l'écoulement de l'air d'alimentation du moteur 1. L'air est donc comprimé uniquement par le premier compresseur à haute pression 5 et passe ensuite par les deux refroidisseurs d'air de suralimentation 27 et 31, avant d'alimenter les 5 cylindres 16 et 17 du moteur 1. Aussi, compte tenu de la taille relativement petite du compresseur 5 même pour de faibles débits d'air d'alimentation, il est possible d'obtenir des rapports de compression relativement élevés même pour de faibles débits d'air sans être limité par les phénomènes de pompage du compresseur 5. 10 Le premier turbocompresseur 3 étant de petite taille, l'inertie des roues du compresseur et de la turbine est relativement faible. Cette configuration permet de minimiser le temps de réponse en fonctionnement transitoire et d'améliorer ainsi la nervosité du moteur dans la première gamme de valeurs, ou, en d'autres termes, à faible 15 vitesse de rotation du moteur. Le circuit de recirculation EGR permet une recirculation de gaz d'échappement du moteur pour de telles vitesses de rotation du moteur 1, celui-ci ne fonctionnant pas à pleine charge. Dans cette configuration, seuls les deux turbocompresseurs à haute pression 3 et 4 sont actifs ce qui permet d'obtenir un couple et 20 un brio élevés à basse et moyenne vitesse de rotation du moteur, tout en conservant un taux de recyclage élevé des gaz d'échappement EGR pour limiter la pollution. La figure 3 illustre un premier mode de fonctionnement du système de la figure 1 pour une vitesse de rotation du moteur comprise 25 dans une deuxième gamme de valeurs correspondant à un fonctionnement du moteur à moyenne vitesse de rotation, par exemple, à une vitesse de rotation du moteur comprise entre 1500 tours/min et 2750 tours/min. 2904365 11 Les vannes commandées 35 et 45 étant fermées, il n'y a donc pas de circulation de gaz dans les circuits de dérivation d'admission et d'échappement 18 et 19. Les gaz d'échappement traversent les première et deuxième turbines d'échappement 6 et 8, puis la troisième 5 turbine d'échappement 11. Lorsque le débit des gaz d'échappement du moteur 1 est relativement faible pour la taille de la troisième turbine 11, le compresseur à basse pression 10 ne comprime quasiment pas les gaz d'alimentation du moteur 1. Toutefois, en fonction du réglage de la troisième turbine 11., c'est-à-dire en fonction de l'ouverture de la 10 soupape de décharge pour une turbine à géométrie fixe, ou de la crémaillère de réglage pour une turbine à géométrie variable, le turbocompresseur à basse pression 10 peut participer à la suralimentation du moteur 1 lorsqu'on souhaite avoir un rapport de compression plus important. Souvent, il s'agit d'une compression 15 relativement modérée dans le troisième compresseur à basse pression 10, qui n'implique pas forcément la présence du refroidisseur d'air de suralimentation 25 optionnel. En effet, le refroidisseur d'air de suralimentation 25 peut être supprimé lorsque le rapport de compression du turbocompresseur 9 n'est pas élevé 20 Lorsqu'il n'est pas nécessaire d'utiliser le turbocompresseur à basse pression 9, cette configuration permet une bonne réponse en régime transitoire, car les premier et deuxième turbocompresseurs à haute pression 3 et 4 ont une faible inertie compte tenu de leur taille relativement petite. Le circuit de recirculation EGR permet une 25 recirculation de gaz d'échappement du moteur pour de telles vitesses de rotation du moteur 1, celui-ci ne fonctionnant pas à pleine charge. La figure 4 illustre un autre mode de fonctionnement du système de la figure 1, en variante du mode de fonctionnement de la figure 3, pour des vitesses de rotation du moteur comprises dans la 2904365 12 deuxième gamme de valeurs correspondant à des vitesses moyennes de rotation du moteur, notamment pour maximiser le rapport de compression, par exemple au voisinage du couple maximal du moteur. Les vannes commandées 45, 35, 29, 41 et 37 sont fermées. En 5 revanche, la troisième turbine 11 est régulée par la fermeture de la soupape de décharge pour une turbine à géométrie fixe, ou action sur la crémaillère de réglage pour une turbine à géométrie variable, afin de détendre les gaz d'échappement dans la turbine et ainsi récupérer de l'énergie pour entraîner le troisième compresseur à basse pression 10 10 qui comprime l'air d'admission. Le circuit de recirculation EGR permet une recirculation de gaz d'échappement du moteur pour de telles vitesses de rotation du moteur 1, celui-ci ne fonctionnant pas à pleine charge. La présence du refroidisseur d'air de suralimentation 25, 15 optionnelle, permet de refroidir l'air admis avant qu'il atteigne les premier et deuxième compresseurs à haute pression 5 et 7, et ainsi augmenter le remplissage en air du moteur 1. La figure 5 illustre un mode de fonctionnement du système de la figure 1 pour des vitesses de rotation du moteur comprises dans une 20 troisième gamme de valeurs, correspondant à de fortes vitesses de rotation du moteur, par exemple, à des vitesses de rotation du moteur supérieures à 2750 tours/min, par exemple au voisinage de la puissance maximale. Les gammes de vitesses de rotation du moteur indiquées, ne sont pas limitatives, car elles peuvent être différentes en 25 fonction des objectifs de performance du moteur. Les vannes commandées 37, 24, 29 et 41 sont fermées, et ainsi l'air d'admission est uniquement comprimé par le troisième compresseur à basse pression 10, et les gaz d'échappement traversent uniquement la troisième turbine 11. En effet, l'air d'admission du 2904365 13 moteur 1 passe uniquement par le circuit de dérivation d'admission 18, et les gaz d'échappement du moteur 1 uniquement par le circuit de dérivation d'échappement 19. Le circuit de recirculation EGR est fermé, au moyen de la vanne de recirculation 15, pour de telles 5 vitesses de rotation du moteur 1, celui-ci fonctionnant à pleine charge. Les refroidisseurs d'air de suralimentation 27 et 31, et le refroidisseur d'air de suralimentation optionnel 25 permettent de refroidir l'air avant son entrée dans les cylindres 16 et 17 du moteur 1. Ainsi, lorsque le moteur 1 fonctionne à haute vitesse de rotation, l'important 10 débit d'air d'admission ne traverse pas les turbocompresseurs à haute pression 3 et 4, évitant ainsi un risque de survitesse de ce turbocompresseur. Dans cette configuration, seul le turbocompresseur à basse pression 9 est utilisé pour la puissance à haute vitesse de rotation du moteur, ce qui permet de limiter la pression en amont de la 15 turbine d'échappement 11, et donc de limiter la consommation du moteur pour de telles vitesses de rotation élevées, et d'améliorer le rendement du moteur. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne (1), notamment pour véhicule automobile, comprenant un dispositif de suralimentation en air (2) muni d'un premier turbocompresseur à haute pression (3) et d'un deuxième turbocompresseur à haute pression (4) montés en parallèle et alimentant en air un premier ensemble de cylindres (16) et un deuxième ensemble de cylindres (17) dudit moteur, caractérisé en ce que le dispositif de suralimentation (2) comprend, en outre, un troisième turbocompresseur à basse pression (9) monté en série avec lesdits premier et deuxième turbocompresseurs à haute pression (3, 4) et capable d'alimenter en air lesdits premier et deuxième turbocompresseurs (3, 4). 2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de suralimentation (2) comprend, en outre, un circuit de dérivation d'admission (18) muni d'une vanne commandée (35) pour by-passer au moins un compresseur (5, 7) desdits turbocompresseurs à haute pression (3, 4), selon le point de fonctionnement du moteur (1). 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel au moins un desdits compresseurs (5, 7) desdits turbocompresseurs à haute pression (3, 4) est équipé d'une vanne commandée (24, 29) de régulation de débit permettant d'isoler ledit compresseur. 4. Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif de suralimentation (2) comprend, en outre, un circuit de dérivation d'échappement (19) des gaz d'échappement du moteur (1) pour by-passer au moins une turbine (6, 8) desdits turbocompresseurs à haute pression (3, 4) selon le point de fonctionnement du moteur (1). 5. Moteur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel au moins une desdites turbines (6, 8) desdits turbocompresseurs 2904365 15 à haute pression (3, 4) est équipée d'une vanne commandée (37, 41) de régulation de débit permettant d'isoler ladite turbine. 6. Moteur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la taille des premier et deuxième turbocompresseurs à haute 5 pression (3, 4) est petite par rapport à la taille du troisième turbocompresseur à basse pression (9). 7. Moteur selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif de suralimentation (2) comprend, en outre, des moyens de commande (50) desdites vannes commandées en fonction de 10 paramètres de fonctionnement du moteur (1). 8. Moteur selon la revendication 7, dans lequel lesdits paramètres de fonctionnement du moteur (1) comprennent la vitesse de rotation du moteur (1) et/ou la charge du moteur. 9. Moteur selon l'une des revendications 1 à 8, dans 15 lequel les cylindres du moteur sont alignés ou disposés en V. 10. Procédé de suralimentation d'un moteur à combustion interne (1), notamment pour véhicule automobile, dans lequel on alimente en air comprimé deux ensembles distincts de cylindres du moteur, de façon différente selon la vitesse de rotation du moteur et/ou 20 la charge du moteur , à l'aide de combinaisons différentes de circulation de l'air d'admission et des gaz d'échappement du moteur dans deux turbocompresseurs à haute pression (3, 4) et un turbocompresseur à basse pression (9). 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel, lorsque 25 le moteur (1) fonctionne à haute vitesse de rotation, les deux ensembles de cylindres (16, 17) sont alimentés en air comprimé uniquement par le compresseur à basse pression (9).30