Brevet FR2928965A1 — publié le 20090925

La présente invention est relative à un moteur Diesel à deux temps, qui est équipé d'un turbocompresseur. Le cycle à deux temps d'un moteur à combustion interne diffère des cycles à quatre temps, par le fait qu'il s'effectue en seulement un 5 tour de vilebrequin au lieu de deux. Dans la mesure où les phases d'un cycle à deux temps et à quatre temps sont semblables (admission, échappement, compression, détente), la plage de temps pour mettre en oeuvre les phases d'admission et d'échappement (dans un moteur à deux temps) sont réduites et doivent 10 se superposer. La superposition des diagrammes de distribution en fonctionnement deux temps, pour permettre le transfert des gaz de l'admission vers l'échappement, implique que la pression d'admission soit toujours supérieure à la pression à l'échappement. De plus, l'admission 15 ayant en partie lieu pendant la remontée du piston, il n'y a pas d'effet d'aspiration pour améliorer l'admission d'air. Généralement, les moteurs à cycle à deux temps sont suralimentés par des pompes (carter pompe) ou des compresseurs entraînés électriquement ou mécaniquement (voir par exemple US-A- 20 2003/0116106), car ces systèmes permettent d'obtenir une pression d'admission toujours supérieure à la pression du collecteur d'échappement. Cependant, ces systèmes sont coûteux énergétiquement et entraînent, par conséquent, une hausse de la consommation. Les moteurs à deux temps équipés d'un turbocompresseur et 25 décrits dans l'art antérieur (tel que celui décrit dans WO-A-97/13970) ne permettent d'obtenir cette différence de pression favorable entre l'admission et l'échappement sur tous les points de fonctionnement. La présente invention vise à combler cette lacune en proposant un moteur Diesel à deux temps, équipé d'un turbocompresseur, 30 qui permet de récupérer l'enthalpie des gaz chauds d'échappement et sous pression et de fournir l'énergie mécanique nécessaire au compresseur pour effectuer la compression, sur tous les points de fonctionnement. Elle vise aussi à proposer un procédé de gestion du fonctionnement d'un tel moteur, sans avoir recours à un autre système de suralimentation. Ainsi, dans un premier aspect, la présente invention se 5 rapporte à un moteur Diesel à deux temps, qui est équipé d'un turbocompresseur, dit turbocompresseur principal. Selon l'invention, il comporte, par cylindre, deux sorties d'échappement, l'une d'entre elles, dite première sortie, étant reliée à la partie turbine dudit turbocompresseur et opérationnelle seulement quand la 10 pression cylindre est supérieure à la pression de suralimentation fournie par la partie compresseur dudit turbocompresseur. Par ailleurs, selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - la seconde sortie débouche à la pression atmosphérique et 15 est opérationnelle seulement quand la pression cylindre est inférieure à la pression de suralimentation fournie par la partie compresseur dudit turbocompresseur principal ; - la seconde sortie est raccordée à la partie turbine d'un second turbocompresseur fonctionnant à une pression inférieure à la 20 pression de fonctionnement dudit turbocompresseur principal, dont le compresseur est monté en série et en amont de celui dudit turbocompresseur principal, cette sortie étant opérationnelle seulement quand la pression cylindre est inférieure à la pression de suralimentation fournie par la partie compresseur dudit turbocompresseur principal ; 25 - lesdites sorties sont pourvues de soupapes, notamment à levée ou à étalement variables ; - chaque entrée est pourvue d'un moyen permettant d'obtenir une phase d'admission décalée par rapport au point mort bas du vilebrequin ; 30 - ledit moyen est une soupape ou un boisseau rotatif ; - il est pourvu de moyens de mesure de la pression cylindre et de la pression de suralimentation. Un autre aspect de l'invention se rapporte à un procédé de gestion du fonctionnement d'un moteur Diesel à deux temps tel que défini 35 ci-dessus. Ce procédé consiste, en phase d'échappement, à comparer la pression cylindre à la pression de suralimentation et à autoriser la sortie des gaz par ladite première sortie quand ladite pression de suralimentation est supérieure à ladite pression cylindre ou, dans le cas contraire, à autoriser la sortie des gaz par la seconde sortie. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma illustrant une première forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est également un schéma illustrant une forme de réalisation alternative de l'invention ; - la figure 3 est constitué d'un ensemble de courbes montrant, 15 en fonction de l'angle du vilebrequin, les lois de levées des différentes soupapes qui équipent le moteur ; - la figure 4 est aussi un ensemble de courbes donnant, en fonction de l'angle du vilebrequin, les débits de gaz aux soupapes ; - la figure 5 est un diagramme Pression-Volume (diagramme 20 de Clapeyron) d'un moteur selon l'invention, sur un cycle. Aux figures 1 et 2 annexées sont représentées schématiquement deux formes de réalisation du moteur selon l'invention. Dans la forme de réalisation de la figure 1, le moteur est identifié par la référence 1. Il comporte, par cylindre, une entrée d'admission 25 10 et deux sorties d'échappement 11 et 12. Ce moteur 1 est couplé à un turbocompresseur dont la partie compresseur 2 est montée en série en amont de l'entrée d'admission 10, et dont la partie turbine 3 est raccordée à la première 11 desdites sorties d'échappement. 30 Quant à la seconde sortie 12, elle débouche directement à l'air libre 4, c'est-à-dire à la pression atmosphérique. Selon l'invention, la première sortie 11 n'est opérationnelle que lorsque la pression P à l'intérieur du cylindre (Pcyl) est supérieure à la pression de suralimentation (Psural), c'est-à-dire la pression fournie au 35 niveau de l'entrée 10. Dans le cas contraire, c'est la seconde sortie 12 qui est opérationnelle. En se référant à la figure 2, le moteur 1 est connecté à deux turbocompresseurs. Le premier, constitué d'un compresseur 2 et d'une turbine 3, est connecté, comme dans le premier mode de réalisation, aux entrée 10 et sortie 11. Le second est constitué d'un compresseur à basse pression 5 et d'une turbine à basse pression 6. Ils sont respectivement connectés en 10 amont du compresseur 2 et à la seconde sortie 12. Les entrée 10 et sorties 11 et 12 sont préférentiellement pourvues de soupapes à levées ou à étalement variables. A la figure 2 sont représentées, sous forme de courbes, les lois de levées des soupapes équipant ces entrées et sorties, en fonction de 15 l'angle du vilebrequin du moteur 1. Ainsi : - la courbe A est spécifique à la soupape d'admission équipant l'entrée 10, - la courbe B est spécifique à la soupape d'échappement 20 équipant la sortie 11, - la courbe C est spécifique à la soupape d'échappement équipant la sortie 12. Le cycle permettant le fonctionnement en deux temps d'un moteur diesel à soupapes turbocompressé (conforme à la figure 1), et sans 25 autres systèmes d'assistance à la compression (compresseur mécanique, électrique, pompe...) est décrit ci-dessous par le diagramme PV du cycle et la pression cylindre en fonction de la position du vilebrequin : a) Phase échappement vers la turbine 3 : la soupape de l'échappement 11 s'ouvre très tôt après le point mort haut (EVO : Exhaust 30 Valve Opening), par exemple 75° après le point mort haut, lorsque la pression et la température sont encore très élevées dans le cylindre (respectivement 10 bars et 1200 K). Ces gaz, dont l'enthalpie est donc très élevée, servent à alimenter la turbine 3 qui récupère cette énergie et la fournit au 35 compresseur 2. Les gaz sont expulsés de la chambre de combustion du fait de la forte pression dans le cylindre par rapport à la pression en amont de la turbine 2, et cela tant que la pression cylindre reste supérieure à la pression d'admission (pression de suralimentation). b) Phase échappement libre : lorsque la pression cylindre devient inférieure à la pression en amont de la turbine 3, la soupape équipant la sortie 11 se ferme alors que la soupape de l'échappement 12 s'ouvre et les gaz brûlés sont expulsés vers l'échappement libre (1 bar) (ou vers une turbine à basse pression 6). La différence de pression entre la chambre est l'atmosphère (ou la pression amont de la turbine à basse pression 6 favorise l'expulsion des gaz). c) Phase balayage (admission et échappement simultanée) : Lorsque la pression dans le cylindre devient inférieure à la pression de suralimentation (2 bar), la soupape d'admission 10 est ouverte (IVO : Inlet Valve Opening) par exemple à 145° après le point mort haut. La pression de suralimentation est par conséquent supérieure à la pression à l'échappement, et les gaz frais poussent les gaz brûlés vers l'échappement. C'est la phase dite de balayage. Elle nécessite une gestion adéquate de l'aérodynamique de la chambre de combustion, de telle sorte que les gaz frais et les gaz brûlés ne se mélangent pas. Cette aérodynamique est maîtrisée grâce à des masques de soupapes, ou à l'étagement des soupapes, à des déflecteurs, à des formes de conduits particulières ou à plusieurs de ces cas de figure, ou encore tout autre moyen efficace. La phase de balayage se poursuit jusqu'à ce que la quantité d'air voulue soit introduite dans le cylindre. Dès lors, les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées simultanément (EVC : Exhaust valve Closing, IVC : Inlet Valve Closing), soit 245° après le point mort haut par exemple. d) Phase de compression : la compression par le cylindre est 30 effective uniquement après la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement. e) Phase d'injection : l'injection peut être précoce (60° avant le point mort haut) pour une combustion HCCI (Homogeneous Combustion Compression Ignition) ou être fractionnée et pour contrôler le début de 35 combustion. Un tel cycle permet en outre une vidange très efficace des gaz brûlés, car la phase d'expulsion des gaz brûlés vers la turbine à haute pression 3 est suivie d'une deuxième phase d'expulsion des gaz brûlés directement vers l'échappement (amont catalyseur et filtre à particules) ou la turbine à basse pression 6. Le contrôle de la suralimentation à tous les régimes nécessite l'utilisation d'un système de distribution à étalement et levée variable pour les soupapes d'échappement. Les diagrammes apparaissant sur les figures 3 à 5 sont obtenus pour un régime de 3000 tr/min, avec une pression de suralimentation de 2.4 bar et une pression en amont de turbine de 2.5 bar. L'équilibre des débits et des rapports de compression ou de détente réalisé ici entre le compresseur 2 et la turbine 3 permet bien de récupérer suffisamment d'énergie par la turbine 3 à fournir au compresseur 2 pour comprimer les gaz d'admission à la pression voulue. Cela est illustré par les équations et tableau suivants : Womp^mCpa. Tn W urb ^ m CpGB T. n O^1 00 omp ^1 / Co^1LU~urb ( ^1 i m Cp Tin PE Ps î y Ps/PE W (g/s) (J/kg.K) (K) (bar) (bar) (kW) Compresseur 74 1009 300 1.37 2.36 0.65 1.4 1.7 5.9 HP Turbine HP 37 1225 1100 2.45 1 0.65 1.3 0.4 6.8 Compresseur 74 1009 300 1 1.46 0.65 1.4 1.5 4.4 BP Turbine BP 43 1225 1100 1.66 1 0.65 1.33 0.6 4.6 Equations et tableau dans lesquels : m est le débit de gaz, Cp la chaleur spécifique des gaz, Tin la température des gaz entrant dans le compresseur ou la turbine, PE la pression des gaz entrant dans le compresseur ou la turbine, Ps la pression en sortie du compresseur ou de la turbine, h le rendement du compresseur ou de la turbine, y la constante des gaz Ps/ PE, le rapport de compression ou de détente et W le travail reçu ou fourni par le compresseur ou la turbine. REVENDICATIONS 1. Moteur Diesel (1) à deux temps, qui est équipé d'un turbocompresseur (2 ; 3), dit turbocompresseur principal, caractérisé par le fait qu'il comporte, par cylindre, deux sorties d'échappement (11, 12), l'une (11) d'entre elles, dite première sortie, étant reliée à la partie turbine (3) dudit turbocompresseur (2 ; 3) et opérationnelle seulement quand la pression cylindre est supérieure à la pression de suralimentation fournie par la partie compresseur (2) dudit turbocompresseur (2 ; 3). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la seconde sortie (12) débouche à la pression atmosphérique et est opérationnelle seulement quand la pression cylindre est inférieure à la pression de suralimentation fournie par la partie compresseur (2) dudit turbocompresseur principal (2 ; 3). 3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la seconde sortie (12) est raccordée à la partie turbine (6) d'un second turbocompresseur (5 ; 6) fonctionnant à une pression inférieure à la pression de fonctionnement dudit turbocompresseur principal (2 ; 3), dont le compresseur (5) est monté en série et en amont de celui dudit turbocompresseur principal (2 ; 3), cette sortie (12) étant opérationnelle seulement quand la pression cylindre est inférieure à la pression de suralimentation fournie par la partie compresseur (2) dudit turbocompresseur principal (2 ; 3). 4. Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que lesdites sorties (11, 12) sont pourvues de soupapes notamment à levée ou à étalement variables. 5. Moteur selon l'une des revendications précédentes, qui est pourvu d'une entrée (10) d'admission par cylindre, caractérisé par le fait que chaque entrée (10) est pourvue d'un moyen permettant d'obtenir une phase d'admission décalée par rapport au point mort bas du vilebrequin. 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit moyen est une soupape ou un boisseau rotatif. 7. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est pourvu de moyens de mesure de la pression cylindre et de la pression de suralimentation. 8. Procédé de gestion du fonctionnement d'un moteur Diesel (1) à deux temps selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il consiste, en phase d'échappement, à comparer la pression cylindre à la pression de suralimentation et à autoriser la sortie des gaz par ladite première sortie (11) quand ladite pression de suralimentation est supérieure à ladite pression cylindre ou, dans le cas contraire, à autoriser la sortie des gaz par la seconde sortie (12).