Brevet FR3037616A1 — publié le 20161223

La présente invention se rapporte à un dispositif de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté, notamment d'un moteur stationnaire ou pour un véhicule automobile ou industriel, et à un procédé de contrôle de la quantité d'air pour un tel moteur. En particulier, le moteur est ici équipé de plusieurs turbocompresseurs de suralimentation. Comme cela est largement connu, la puissance délivrée par un moteur à combustion interne est dépendante de la quantité d'air introduite dans la chambre de combustion de ce moteur, quantité d'air qui est elle-même proportionnelle à la densité de cet air. Ainsi, il est habituel d'augmenter cette quantité d'air au moyen d'une compression de l'air extérieur avant qu'il ne soit admis dans cette chambre de combustion. Cette opération, appelée suralimentation, peut être réalisée par tous moyens, tel qu'un turbocompresseur ou un compresseur entraîné, qui peut être centrifuge ou volumétrique. Dans le cas d'une suralimentation par au moins un turbocompresseur, ce dernier comprend une turbine rotative, à simple flux ou à double flux, reliée par un axe à un compresseur rotatif. Les gaz d'échappement issus du moteur traversent la turbine qui est alors entrainée en rotation. Cette rotation est ensuite transmise au compresseur qui, de par sa rotation, comprime l'air extérieur avant qu'il ne soit introduit dans la chambre de combustion. Comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet français N° 2 478 736, il est prévu, pour pouvoir amplifier de manière significative cette quantité d'air comprimé dans la chambre de combustion du moteur, d'augmenter encore plus la compression de l'air extérieur par le compresseur. Cela se réalise plus particulièrement en augmentant la vitesse de rotation de la turbine et donc du compresseur. 3037616 2 Pour cela, une partie de l'air comprimé sortant du compresseur est déviée pour être admis directement à l'entrée de la turbine en se mélangeant avec les gaz d'échappement. Cette turbine est alors traversée par une plus grande quantité de fluide (mélange d'air comprimé et de gaz d'échappement), ce qui permet 5 d'augmenter la vitesse de rotation de la turbine et par conséquence du compresseur. Cette augmentation de vitesse du compresseur permet ainsi d'augmenter la pression de l'air extérieur qui sera comprimé dans ce compresseur puis introduit dans la chambre de combustion du moteur. 10 Par cela, l'air comprimé a une densité plus élevée ce qui permet d'accroitre la quantité d'air contenue dans la chambre de combustion. Ce type de moteur suralimenté, bien que donnant satisfaction, présente néanmoins des inconvénients non négligeables. 15 En effet, le débit de l'air comprimé qui est admis à l'entrée de la turbine n'est pas correctement contrôlé, ce qui peut entrainer un dysfonctionnent du moteur. Ainsi, à titre d'exemple, en cas de trop grande quantité d'air comprimé déviée à 20 l'entrée de la turbine, les gaz d'échappement entrant dans la turbine sont refroidis de manière trop importante par cet air et amène une diminution du rendement global de la suralimentation. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés 25 ci-dessus grâce à un dispositif de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté qui permet de répondre à toutes les demandes de puissance du moteur. De plus, la présente invention concerne un moteur à combustion interne dont le système de suralimentation comprend au moins deux turbocompresseurs. 30 L'invention ici présentée permet également de réaliser un transfert de l'air comprimé de l'admission vers l'échappement même quand la pression moyenne de l'air comprimé à l'admission est inférieure à celle des gaz à l'échappement. Il suffit 3037616 3 uniquement qu'il existe des phases durant le cycle de fonctionnement du moteur où la pression à l'admission est supérieure à celle existant à l'échappement. A cet effet, la présente invention concerne un dispositif de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté, 5 ledit moteur comprenant deux sorties de gaz d'échappement reliées chacune à un collecteur d'échappement d'un groupe d'au moins un cylindre, ledit dispositif comprenant un dispositif de suralimentation comportant au moins deux étages de suralimentation haute pression HP et basse pression BP, l'étage de suralimentation haute pression comprenant au moins une turbine HP à double entrée connectées 10 auxdites sorties de gaz d'échappement en étant liée à un compresseur d'air HP, l'étage de suralimentation basse pression comprenant au moins une turbine BP connectée à la turbine HP et reliée à un compresseur BP, et au moins un conduit de transfert partiel de l'air comprimé HP du compresseur d'air HP vers les entrées de la turbine HP, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un conduit de 15 transfert partiel de l'air comprimé en sortie d'au moins un compresseur vers au moins une entrée d'au moins une turbine et en ce que ledit au moins un conduit de transfert partiel comporte des moyens de vannage de contrôle de la circulation de l'air comprimé transféré. 20 Ledit au moins un conduit de transfert partiel peut comporter un clapet antiretour. Le dispositif peut comporter au moins un conduit de transfert partiel en sortie du compresseur HP vers l'entrée de la turbine BP. 25 Le dispositif peut comporter au moins un conduit de transfert partiel en sortie du compresseur BP vers les deux entrées de la turbine HP. Le dispositif peut comporter au moins un conduit de transfert partiel en sortie du 30 compresseur BP vers l'entrée de la turbine BP. Les moyens de vannage peuvent comprendre des vannes proportionnelles. 3037616 4 Le dispositif peut comporter des moyens de commande des vannes proportionnelles. L'invention concerne également un procédé de contrôle de la quantité d'air 5 comprimé à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté, ledit moteur comprenant deux sorties de gaz d'échappement reliées chacune à un collecteur d'échappement d'un groupe d'au moins un cylindre, ledit dispositif comprenant un dispositif de suralimentation comportant au moins deux étages de suralimentation haute pression HP et basse pression BP, l'étage de suralimentation haute pression 10 HP comprenant au moins une turbine HP à double entrée connectée auxdites sorties de gaz d'échappement en étant liée à un compresseur d'air HP, l'étage de suralimentation basse pression BP comprenant au moins une turbine BP connectée à la turbine HP et reliée à un compresseur BP, et au moins un conduit de transfert partiel de l'air comprimé HP du compresseur vers les entrées de la turbine HP, 15 caractérisé en ce qu'il consiste à introduire en outre de l'air comprimé en sortie d'au moins un compresseur vers au moins une entrée d'une turbine par un conduit de transfert partiel. Le procédé peut consister à introduire de l'air comprimé en sortie du 20 compresseur HP vers l'entrée de la turbine BP par un conduit de transfert partiel. Le procédé peut consister à introduire de l'air comprimé en sortie du compresseur BP vers les entrées de la turbine HP par un conduit de transfert partiel (103). 25 Le procédé peut consister à introduire de l'air comprimé en sortie du compresseur BP vers l'entrée de la turbine BP par un conduit de transfert partiel (104). 30 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont est annexées : - la figure 1 qui montre un moteur à combustion interne équipé d'un mono turbocompresseur de suralimentation pour illustrer une représentation schématique 303 7 6 1 6 5 du principe d'une boucle de recyclage partiel de l'air comprimé vers l'amont de la turbine, notamment de type « twin scroll », et - la figure 2 qui illustre la présente invention en décrivant, dans le cas d'un moteur à combustion interne avec une suralimentation à double étage, les différentes 5 configurations de conduits de transfert d'air comprimé, selon l'invention. Sur la figure 1, le moteur à combustion interne 10 comprend au moins deux cylindres, ici quatre cylindres référencés 121 à 124 à partir de la gauche de la figure. 10 De manière préférentielle, ce moteur est un moteur à combustion interne à injection directe, notamment de type Diesel, mais cela n'écarte en aucune manière tout autre type de moteur à combustion interne. Chaque cylindre comprend des moyens d'admission 14 avec au moins une 15 soupape d'admission 16, ici deux soupapes d'admission contrôlant chacune une tubulure d'admission 18. Les tubulures d'admission 18 aboutissent à un collecteur d'admission 20 alimenté par un conduit d'alimentation 22 en air d'admission, tel que de l'air comprimé. 20 Ce cylindre comprend aussi des moyens d'échappement des gaz brûlés 24 avec au moins une soupape d'échappement 26, ici également deux soupapes contrôlant chacune une tubulure d'échappement 28. Dans l'exemple illustré le moteur est prévu pour fonctionner selon un ordre de 25 combustion dénommé 1-3-4-2. Compte tenu de cet ordre de combustion, les tubulures d'échappement du cylindre 121 et du cylindre 124, qui forment un premier groupe d'au moins un cylindre, sont connectées à un premier collecteur d'échappement 30 avec une première sortie de gaz d'échappement 32. Les tubulures d'échappement du cylindre 122 et du cylindre 123, qui forment un deuxième 30 groupe d'au moins un cylindre, sont connectées à un deuxième collecteur d'échappement 34 qui comporte une deuxième sortie de gaz d'échappement 36. 303 7 6 1 6 6 Les deux sorties de gaz d'échappement aboutissent à un turbocompresseur 38 pour la compression de l'air et plus particulièrement à la turbine de détente 40 de ce turbocompresseur. Comme illustré sur la figure 1, le turbocompresseur est un turbocompresseur à 5 double entrée, plus connu sous le vocable de turbocompresseur "Twin Scroll". Ce type de turbocompresseur comprend la turbine de détente 40 balayée par les gaz d'échappement et qui est reliée en rotation par un arbre 42 avec un compresseur 44. 10 Au niveau de la turbine, l'entrée des gaz d'échappement est divisée en deux sections, une première section d'entrée 46 raccordée à la première sortie de gaz d'échappement 32 du premier collecteur 30 et une deuxième section d'entrée 48 raccordée à la deuxième sortie de gaz d'échappement 36 du deuxième collecteur 15 d'échappement 34. L'évacuation de gaz 50 de la turbine 40 est raccordée conventionnellement à la ligne d'échappement 52 du moteur. 20 Le compresseur 44 du turbocompresseur 38 comporte une admission d'air extérieur 54 alimentée par une conduite d'alimentation 56. La sortie d'air comprimé 58 de ce compresseur est reliée au conduit d'alimentation 22 du collecteur d'admission 20 par une conduite 60. 25 Avantageusement, il peut être prévu de placer un radiateur de refroidissement de l'air comprimé 62 sur la conduite 60, entre le compresseur et la conduite 22. Comme mieux visible sur la figure 1, un conduit de transfert 64 permet de faire circuler une partie de l'air comprimé sortant du compresseur 44 vers les entrées 46 30 et 48 de la turbine. Selon la figure 1, le conduit de transfert partiel prend naissance sur la conduite 60, à un point de d'intersection 66 entre le compresseur et le radiateur de refroidissement 62, et se sépare ensuite, à partir d'un point de bifurcation 68, en deux branches 70 et 72. La branche 70 aboutit à l'entrée 46 de la turbine par sa 3037616 7 jonction avec la première sortie de gaz d'échappement 32 et la branche 72 aboutit à l'autre entrée 48 de cette turbine par sa jonction avec la sortie de gaz d'échappement 36. Chaque branche porte des moyens de vannage 74 et 76, comme une vanne 5 proportionnelle, commandés par un moyen de commande 78, qui peut être commun aux deux moyens de vannage. Cette vanne permet ainsi de contrôler la circulation de l'air comprimé qui circule dans la branche. Avantageusement, chaque branche comporte également un clapet anti-retour 10 80 et 82 qui interdit la circulation de l'air comprimé de la branche vers le compresseur tout en empêchant la mise en communication des deux branches. Cette configuration permet ainsi, pendant le fonctionnement du moteur, de profiter des zones de basse pression échappement régnant ponctuellement dans les 15 collecteurs d'échappement pour introduire de l'air comprimé dans la turbine et augmenter ainsi le débit de cette turbine et par conséquent du compresseur. Cela permet également d'avoir une suralimentation plus efficace pour les bas régimes. Durant le fonctionnement, en cas de besoin d'air en grande quantité dans les 20 cylindres, les vannes 74 et 76 sont commandées en ouverture pour introduire de l'air comprimé provenant du compresseur 44 dans la turbine 40. L'air comprimé sortant du compresseur 44 circule dans le conduit 64 puis dans les branches 70 et 72 pour aboutir aux entrées de gaz d'échappement 46 et 48 de la 25 turbine 40 en y apportant un surplus de fluide à cette turbine. Ainsi, la turbine est parcourue non seulement par les gaz d'échappement venant des sorties 32 et 36, mais également par de l'air comprimé qui vient s'ajouter à ces gaz. De ce fait, la rotation de la turbine est augmentée, ce qui entraine une 30 augmentation de rotation du compresseur et, en conséquence, une augmentation de la pression de l'air comprimée qui sort de ce compresseur. 3 0 3 7 6 1 6 8 Bien entendu, les vannes 74 et 76 sont contrôlées par le moyen de commande 78 de façon à admettre la quantité d'air comprimé dans la turbine qui répond aux besoins de suralimentation du moteur. 5 La figure 2 illustre selon l'invention, un moteur à combustion interne à double suralimentation comportant un étage de suralimentation haute pression (HP) et un étage de suralimentation basse pression (BP). L'étage de suralimentation HP comporte un étage de compression CW HP entrainé par une turbine TW à double entrée ou turbine « twin scroll » et l'étage de 10 suralimentation BP comporte un étage de compression C BP entrainé par une turbine T BP. Cet étage de suralimentation BP est constitué, comme conventionnellement, par une turbine T entrainée par les gaz en sortie de la turbine TW HP amenés par un conduit 100 alors que le compresseur C BP entrainé par la turbine T BP alimente en 15 air comprimé le compresseur CW HP par un conduit 101. Comme déjà décrit sur la figure 1, un conduit de transfert partiel 64 d'air comprimé HP est en communication avec les deux entrées 46 et 48 de la turbine TW de l'étage HP de suralimentation. 20 En plus du conduit de transfert partiel 64 d'air comprimé HP vers la turbine TW de l'étage HP de suralimentation, le transfert partiel d'air comprimé peut également être réalisé avec : - un conduit de transfert partiel 102 pour amener une portion d'air comprimé 25 HP en amont de la turbine T BP et/ou - un conduit de transfert partiel 103 d'air comprimé BP pour diriger une portion d'air comprimé BP aux deux entrées 46 et 48 de la turbine TW HP et/ou - un autre conduit 104 de transfert partiel d'air comprimé BP permettant de 30 diriger une portion d'air comprimé BP en entrée de la turbine T BP. Bien entendu ces configurations peuvent être combinées, partiellement ou en totalité, entre elles, par exemple l'une des combinaisons peut être le conduit 64 qui 3037616 9 est en communication avec les deux entrées 46 et 48 de la turbine TW HP et le conduit 104 qui est connecté à la turbine T BP. Comme décrit pour le conduit de transfert partiel 64, tous les autres conduits de 5 transfert partiel d'air comprimé comportent des moyens d'anti-retour et des moyens de contrôle du débit de circulation de l'air comprimé transféré, tels que des vannes proportionnelles V et des clapets anti-retour Ca. Ainsi, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, notamment 10 basse charge et/ou bas régime, les différents conduits de transfert partiel permettent de les optimiser tout en contrôlant le niveau de suralimentation. D'une manière générale, la présente invention peut convenir à un système de suralimentation comprenant plus de deux étages de suralimentation. 15 Dans ce cas, en sortie (aval) de chaque compresseur, plusieurs conduits de transfert partiel d'air comprimé communiquent avec l'entrée (amont) de chacune des turbines. Plus précisément, selon la figure 2 illustrant une suralimentation à deux étages, en aval du compresseur CW, deux conduits 64 et 102 conduisent en entrée (amont) respectivement de la turbine TW et de la turbine T. Egalement, en aval du 20 compresseur C, deux conduits 103 et 104 conduisent en entrée (amont) respectivement de la turbine TW et de la turbine T. En généralisant, dans le cas de n étages de suralimentation (avec n supérieur ou égal à trois), il peut être prévu n conduits de transfert partiel en aval de chacun 25 des compresseurs pour conduire en amont (entrée) de chacune des turbines. REVENDICATIONS1) Dispositif de contrôle de la quantité d'air introduit à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté, ledit moteur comprenant deux sorties de gaz d'échappement (32, 36) reliées chacune à un collecteur d'échappement (30, 34) d'un groupe d'au moins un cylindre (121, 122, 123, 124), ledit dispositif comprenant un dispositif de suralimentation (38) comportant au moins deux étages de suralimentation haute pression (HP) et basse pression (BP), l'étage de suralimentation haute pression comprenant au moins une turbine HP (TW) à double entrée (46, 48) connectées auxdites sorties de gaz d'échappement en étant liée à un compresseur (CW) d'air HP, l'étage de suralimentation basse pression comprenant au moins une turbine BP (T) connectée à la turbine HP (TW) et reliée à un compresseur BP (C), et au moins un conduit de transfert partiel (64) de l'air comprimé HP du compresseur d'air HP vers les entrées de la turbine HP (TW), caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un conduit de transfert partiel (102, 103, 104) de l'air comprimé en sortie d'au moins un compresseur (CW, C) vers au moins une entrée d'au moins une turbine (TW, T) et en ce que ledit au moins conduit de transfert partiel comporte des moyens de vannage (V) de contrôle de la circulation de l'air comprimé transféré. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un conduit de transfert partiel comportent un clapet antiretour (80, 82, Ca). 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en qu'il comporte au moins un conduit de transfert partiel (102) en sortie du compresseur HP (CW) vers l'entrée de la turbine BP (T). 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en qu'il comporte au moins un conduit de transfert partiel (103) en sortie du compresseur BP (C) vers les deux entrées de la turbine HP (TW). 5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en qu'il comporte au moins un conduit de transfert partiel (104) en sortie du compresseur BP (C) vers l'entrée de la turbine BP (T). 303 7 6 1 6 11 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en que les moyens de vannage comprennent des vannes proportionnelles (74, 76, V). 5 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande des vannes proportionnelles. 8) Procédé de contrôle de la quantité d'air comprimé à l'admission d'un moteur à combustion interne suralimenté, ledit moteur comprenant deux sorties de gaz 10 d'échappement (32, 36) reliées chacune à un collecteur d'échappement (30, 34) d'un groupe d'au moins un cylindre (121, 122, 123, 124), ledit dispositif comprenant un dispositif de suralimentation (38) comportant au moins deux étages de suralimentation haute pression (HP) et basse pression (BP), l'étage de suralimentation haute pression (HP) comprenant au moins une turbine HP (TW) à 15 double entrée (46, 48) connectée auxdites sorties de gaz d'échappement en étant liée à un compresseur (CW) d'air HP, l'étage de suralimentation basse pression (BP) comprenant au moins une turbine BP (T) connectée à la turbine HP et reliée à un compresseur BP (C), et au moins un conduit de transfert partiel (64) de l'air comprimé HP du compresseur vers les entrées de la turbine HP (TW), caractérisé en 20 ce qu'il consiste à introduire en outre de l'air comprimé en sortie d'au moins un compresseur vers au moins une entrée d'une turbine par un conduit de transfert partiel (102, 103, 104). 9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire 25 de l'air comprimé en sortie du compresseur HP (CW) vers l'entrée de la turbine BP (T) par un conduit de transfert partiel (102). 10) Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire de l'air comprimé en sortie du compresseur BP (C) vers les entrées de la 30 turbine HP (T) par un conduit de transfert partiel (103). 11) Procédé selon l'une des revendications 8 ou 10, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire de l'air comprimé en sortie du compresseur BP (C) vers l'entrée de la turbine BP (T) par un conduit de transfert partiel (104).