FR2496165A1

FR2496165A1 - Moteur a combustion interne suralimente par turbocompresseurs a gaz d'echappement

Info

Publication number: FR2496165A1
Application number: FR8114967A
Authority: FR
Inventors: Hans Dinger; Helmut Klotz
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH; Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1980-12-12
Filing date: 1981-07-31
Publication date: 1982-06-18
Also published as: GB2089427B; GB2089427A; IT8149683A0; IT1172061B; FR2496165B1; DE3046876A1; DE3046876C2; US4422296A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE SURALIMENTE PAR TURBOCOMPRESSEURS A GAZ D'ECHAPPEMENT. DANS LEDIT MOTEUR, AFIN D'AMELIORER SON COMPORTEMENT A L'ACCELERATION, LES GAZ S'ECHAPPANT D'UNE CHAMBRE AUXILIAIRE DE COMBUSTION 31 SONT UTILISES, LORS DE L'ACCELERATION, POUR ENTRAINER UNIQUEMENT DES TURBOCOMPRESSEURS A GAZ D'ECHAPPEMENT 17, 18 QUI, FONCTIONNANT EN PARALLELE, SONT ASSOCIES AUDIT MOTEUR. EN MEME TEMPS, LES GAZ S'ECHAPPANT DUDIT MOTEUR SONT DIRIGES DIRECTEMENT VERS UN TUYAU D'ECHAPPEMENT 42 EN EVITANT LESDITS TURBOCOMPRESSEURS 17, 18. DE CE FAIT, LA FORCE EXERCEE NORMALEMENT PAR LE MOTEUR POUR CHASSER LES GAZ D'ECHAPPEMENT DES CYLINDRES A L'ENCONTRE DE LA RESISTANCE OPPOSEE PAR LES GRILLES DES PALES DES TURBINES EST DISPONIBLE COMME FORCE SUPPLEMENTAIRE POUR L'ACCELERATION. APPLICATION NOTAMMENT A L'ACCELERATION DE MOTEURS A COMBUSTION INTERNE SURALIMENTES PAR TURBOCOMPRESSEURS.

Description

La présente invention se rapporte à une machine

ou moteur à combustion interne suralimenté par turbocompres-

seurs à gaz d'échappement et équipé d'une chambre auxiliaire de combustion dont les gaz d'échappement sont dirigés de temps à autre vers la turbine d'un turbocompresseur à gaz

d'échappement, afin d'améliorer le comportement à l'accélé-

ration dudit moteur à combustion interne, l'air comburant permettant le fonctionnement de ladite chambre étant prélevé

sur le courant d'air d'alimentation engendré par le turbocompres-

seur. L'invention vise par conséquent à améliorer le comporte-

ment à l'accélération de la machine ou moteur à combustion interne. A cet effet, deux systèmes différents ont déjà été proposés. Leur principe de fonctionnement consiste à accroître

l'énergie intrinsèque du débit massique des gaz d'échappe-

ment produit par le moteur fonctionnant au ralenti ou sous une faible charge partielle, avant l'entrée de ce. débit

dans la turbine du turbocompresseur à gaz d'échappement.

L'enrichissement en énergie des gaz d'échappement permet d'ob-

tenir une augmentation rapide de la vitesse angulaire du turbocompresseur ou une baisse rapide de pression dans le

système d'air d'alimentation du moteur.

Dans l'un des deux systèmes mentionnés, les gaz d'échappement du-moteur parcourent une chambre auxiliaire de combustion. Dans cette chambre, par suite de l'admission de

carburant brûlé en utilisant intégralement l'oxy-

gène résiduel des gaz d'échappement, la température

et la quantité de ces derniers sont accrues. Dans ce sys-

tème,cependant, le comportement à la combustion de la chambre auxiliaire est instable par suite dudébit saccadé des gaz d'échappement provenant du moteur, et il peut même entraîner

une extinction dans cette chambre auxiliaire de combustion.

Dans le second système connu, au lieu des gaz d'échappement, sont introduits dans la chambre auxiliaire de

combustion de l'air comburant détourné du débit d'air d'ali-

mentation du moteur, ainsi que du carburant. Ensuite, les gaz chauds engendrés dans cette chambre auxiliaire de combustion sont ajoutés aux gaz d'échappement provenant du moteur avant de

pénétrer dans la turbine du turbocompresseur. Un tel systè-

me permet un fonctionnement stable de la chambre auxiliaire de combustion et améliore sensiblement le comportement à l'accélération du moteur à combustion interne. Cependant, il comporte l'inconvénient que, lorsqu'il est ajusté de manière

optimale (réglage harmonisé du moteur et de la chambre auxi-

liaire), le fonctionnement normal du moteur à combustion in-

terne non assisté par la chambre auxiliaire est très insa-

tisfaisant. La présente invention a par conséquent pour objet de proposer un système fiable équipant un moteur à combustion nterne suralimenté et comportant une chambre auxiliaire de combustion.

Selon les caractéristiques essentielles de l'in-

vention, on utilise au moins deux turbocompresseurs à gaz

d'échappement fonctionnant en parallèle; lors de l'accéléra-

tion, les gaz d'échappement du moteur à combustion interne con-

tournent les turbines des turbocompresseurs; et les gaz d'échappement de la chambre auxiliaire de combustion assurent

à eux seuls l'entraînement de tous les turbocompresseurs.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les turbines des turbocompresseurs sont dimensionnées en fonction du débit massique des gaz d'échappement de la chambre

auxiliaire de combustion et ces turbines sont équipées cha-

cune d'un appareil directeur réglable connu en soi; - à côté du ou des turbocompresseurs permettant le fonctionnement normal du moteur à combustion interne, se trouve au moins un autre turbocompresseur à gaz d'échappement, vers lequel sont également dirigés les gaz s'échappant de la

chambre auxiliaire lors d'une accélération du moteur à com-

bustion interne; et

- la répartition du débit d'air d'alimentation en-

tre ladite chambre auxiliaire et ledit moteur est assurée

par au moins un organe d'étranglement réglable ou pilote.

Les avantages obtenus grâce à l'invention consis-

tent notamment en ce que la force de refoulement devant être

appliquée par le moteur à combustion interne en fonctionne-

ment normal pour évacuer les gaz d'échappement des cylindres à l'encontre de la résistance opposée par la grille des pales

des turbines à gaz d'échappement est donc disponible comme for.

ce supplémentaire pour l'accélération; en ce que, par rapport à des moteur

à combustion interne suralimentés et non équipés d'un dispo-

sitif auxiliaire, la durée nécessaire à l'accélération du mo- teur à combustion interne, du fonctionnement au ralenti au fonctionnement à pleine charge, est notablement réduite

en ce que la chambre auxiliaire de combustion peut fonction-

ner indépendamment du débit saccadé des gaz d'échappement pro-

venant dudit moteur; et en ce que, par suite de la suppres-

sion des défauts que constituait auparavant, pour la circu-

lation des gaz d'échappement, le rassemblement des gaz d'échap.

pement provenant du moteur et de la chambre auxiliaire, le conduit des gaz d'échappement dudit moteur peut être conçu

pour permettre un débit optimal.

- L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique

d'un moteur à combustion interne équipé de deux turbocompres-

seurs à gaz d'échappement; et la figure 2 illustre schématiquement un moteur à combustion interne doté de trois turbocompresseurs à gaz d'échappement. Une machine ou moteur à combustion interne, compor-> tant deux rangées Il et 12 de cylindres associées chacune à un conduit d'air d'alimentation 13 ou 14 et à un conduit des gaz d'échappement 15 ou 16, respectivement, est alimenté par des turbocompresseurs à gaz d'échappement 17 et 18 en air d'alimentation préalablement comprimé. Dans des conduits et 21 d'admission d'air d'alimentation, provenant de compresseurs 24 et 27 desdits turbocompresseurs 17 et 18, des refroidisseurs d'air d'alimentation 22 et 23 sont montés en aval des conduits d'alimentation 13 et 14, respectivement, lesquels sont raccordés l'un à l'autre par un conduit de transfert 19. Les conduits de gaz d'échappement 15 et 16 sont reliés à des turbines 25 et 26 des turbocompresseurs 17

et 18 par l'intermédiaire d'un distributeur 28 pouvant occu-

per des positions "a", "b" et "c". De l'air comburant prove-

nant des conduits d'admission 20 et 21 peut être introduit

dans une chambre auxiliaire de combustion 31 par l'intermé-

diaire de conduits 32 et 33. Un conduit d'échappement 30 de ladite chambre 31 est également raccordé au distributeur 28. Pour réguler le débit d'air comburant dirigé vers la chambre auxiliaire 31, se trouve, au moins dans le conduit

32 ou 33, un dispositif pilote 34 ou 35 qui, pouvant être ré-

glé jusqu'à interdire tout passage, peut être associé à un autre dispositif pilote 37 ou 38 incorporé dans le conduit

d'admission 20 ou 21.

En fonctionnement normal, lorsque le moteur à com-

bustion interne est au ralenti ou sous faible charge, le dis-

tributeur 28 occupe sa position "a". Les pilotes 34 et 35

fermés interrompent l'alimentation en air de la chambre auxi-

liaire 31 et les gaz d'échappement provenant du moteur à combustion interne sont délivrés, par un conduit 39, au seul turbocompresseur 17, qui prend seul en charge l'alimentation

en air du moteur au moyen de son compresseur 24, par l'inter-

médiaire du conduit d'admission 20. Etant donné que le turbo-

compresseur 18 n'est pas entraîné, donc que son compresseur 27 ne refoule pas, un clapet anti-retour 41 est fermé sous l'action de la pression d'air d'alimentation, qui est exercée par le compresseur 24 dans, le système d'admission d'air du

moteur à combustion interne.

En cas d'accélération imminente, c'est-à-dire lors-

qu'il faut s'attendre à un accroissement rapide de la vitesse angulaire du moteur à combustion interne, à partir du ralenti ou du fonctionnement sous charge partielle, le pilote 34 ou

35 est fermé et l'air peut pénétrer dans la chambre auxiliai-

re de combustion. Lorsque le distributeur 28 occupe sa posi-

tion "a",il y a allumage dans la chambre auxiliaire 31, qui

fonctionne tout d'abord à faible puissance. Le turbocompres-

seur 18 est entraîné par les gaz d'échappement de ladite

chambre 31, qui sont dirigés vers la turbine 26 par les con-

duits 39 et 40. Par suite du débit tout d'abord faible des gaz d'échappement, le turbocompresseur 18 ne tourne qu,'à une

vitesse angulaire faible. Dans un premier stade, le compres-

seur 27 n'assure aucun refoulement d'air à l'encontre de la pression d'alimentation engendrée par le turbocompresseur

17 dans le système d'admission, de sorte que le clapet anti-

retour 41 reste fermé.

Pour assurer l'acccélération proprement dite du moteur à combustion interne à partir de son ralenti ou lors de son fonctionnement sous charge partielle, le distributeur 28 est déplacé à sa position "c". Dans ce cas, en parcourant le conduit 29 et en contournant les turbines 25 et 26, les gaz s'échappant du moteur parviennent directement dans un tuyau d'échappement 42. Le conduit d'échappement 30 de la chambre auxiliaire 31 est mis en communication avec les turbines 25 et 26 des turbocompresseurs 17 et 18, par l'intermédiaire des conduits 39 et 40, grâce à la bifurcation correspondante des trajets d'écoulementintervenant dans le distributeur 28. En même temps, les deux pilotes 34 et 35 sont entièrement ouverts et la chambre auxiliaire 31 est amenée à fonctionner à pleine charge. Cette chambre 31 est conçue de telle sorte que les gaz d'échappement qu'elle produit soient suffisants pour satisfaire, par l'intermédiaire des deux turbocompresseurs 17 et 18, aussi bien aux besoins en air du moteur pour son accélération qu'aux besoins en air de la chambre auxiliaire

31 fonctionnant à pleine charge.

Du fait que les conduits 36 et 29 dirigent les gaz d'échappement d'une manière particulière vers le tuyau 42, le moteur à combustion interne n'a pas besoin de développer une force de refoulement des gaz d'échappement à l'encontre

d'une pression antagoniste,exercée normalement par les gril-

les des pales des turbines des turbocompresseurs 17 et 18.

Le couple de rotation qui devrait être utilisé pour exercer cette force de refoulement est, de la sorte, disponible pour renforcer l'accélération. En outre, lorsque la chambre auxiliaire 31

est adaptée aux turbocompresseurs 17 et 18, la pres-

sion de suralimentation à exercer est plus grande en cas d'accélération qu'en fonctionnement normal. Dans tous les cas, toutes les mesures décrites assurent une accélération très rapide du moteur., Lorsque, pendant la phase d'accélération, la vitesse

angulaire du moteur à combustion interne ou celle des turbo-

compresseurs 17 et 18 a augmenté pour atteindre une valeur plus grande que celle correspondant à la plage supérieure de charge partielle, la température des gaz s'échappant de la chambre auxiliaire atteint une valeur qui ne peut plus être supportée par les turbines 25 et 26 desdits turbocompresseurs 17 et 18. Cet accroissement de température est dû au fait

que la consommation d'air du moteur augmente lorsque sa vi-

tesse angulaire croît, donc que le débit massique résiduel de l'air comburant introduit dans la chambre auxiliaire 31 diminue, bien que la quantité de carburant brûlée par unité de temps dans ladite chambre 31 reste sensiblement constante. Dans cette phase de fonctionnement, il arrive un moment o, la

consommation d'air du moteur continuant d'augmenter, la cham-

bre auxiliaire 31 finit par ne plus pouvoir fonctionner à

pleine charge par défaut d'air comburant.

il en résulte de ce fait une réduction de la puis-

sance de cette chambre 31, qui fonctionne alors en état d'attente.

En même temps, le distributeur 28 est déplacé à sa position "b". Dans ces conditions, le débit massique, déjà très important,

des gaz s'échappant du moteur à combustion interne fonction-

nant avec une telle puissance partielle élevée est dirigé,

en parcourant les conduits 39 et 40, vers les turbocompres-

seurs 17 et 18, à la place des gaz s'échappant de la chambre auxiliaire 31. Etant donné que, en fonctionnement à pleine charge, le débit massique des gaz s'échappant de ladite chambre 31

est considérablement plus grand que celui des gaz s'échap-

pant du moteur à combustion interne fonctionnant à pleine

charge, les turbines 25 et 26 sont équipées chacune d'un ap-

pareil directeur réglable 44 ou 45 permettant une adaptation

au débit massique moins important des gaz s'échappant du moteur.

Ce n'est que lorsque la chambre auxiliaire 31 fonc-

tionne en état d'attente, en produisant une quantitéde gaz d'échap-

pement très faible par rapport à celle dégagée lors de son

fonctionnement à pleine charge, que les gaz s'échappant du con-

duit 30 de ladite chambre 31 sont dirigés vers les gaz d'échap-

pement provenant du moteur lorsque le distributeur 28 est

en position "b". Cela n'entrave toutefois en rien le fonction-

nement du moteur à combustion interne.

Une solution moins onéreuse consiste à ne dimensionner les deux turbocompresseurs 17 et 18 qu'en fonction du débit massique des gaz d'échappement du moteur à combustion interne fonctionnant à pleine charge. Dans ce cas, les appareils -directeurs réglables 44 et 45 compliqués équipant les turbines 25 et 26 peuvent être

supprimés. Etant donné que la capacité des turbo-

compresseurs 17 et 18 est plus faible par rapport à l'exemple illustré sur la figure 1, la chambre auxiliaire de combustion

31 peut également présenter un encombrement plus faible.

Cependant, cette solution réduit l'efficacité du processus d'accélération, étant donné que le manque d'air comburant, limitant l'utilisation de la chambre auxiliaire,

se produit déjà à une vitesse angulaire plus pe-

tite en fonctionnement sous charge partielle du moteur, du fait que les turbocompresseurs et la chambre auxiliaire 31 sont plus petits. Donc, le moteur à combustion interne doit être accéléré dans une plage de vitesses angulaires sensiblement plus grande que dans l'exemple décrit ci-avant,

sans aucune assistance de la chambre auxiliaire 31.

Une autre variante de réalisation du système décrit

en regard de la figure 1 consiste en ce que l'un des deux tur-

bocompresseurs, par exemple le turbocompresseur 17, est dimens né en fonction de toute la plage de fonctionnement du moteur (du ralenti à la pleine charge), auquel cas la turbine 25 peut, le cas échéant, être également équipée d'un appareil directeur réglable. En fonctionnement normal, le turbocompresseurs 18

n'est jamais alimenté en gaz d'échappement du moteur. Par-

tant, le clapet anti-retour 41 est fermé en permanence pen-

dant ce temps. Le distributeur 28 peut alors n'occuper que

les positions "a," et "c". Sa position "a" permet le fonction-

nement normal et l'allumage dans la chambre de combustion, cependant que sa position "cl' est utilisée pour le processus d'accélération. Dans ce cas, le turbocompresseur 18 est, lui

aussi, alimenté par les gaz s'échappant de la chambre 31.

La figure 2 représente un exemple de réalisation qui combine les deux exemples décrits en dernier lieu. Les organes remplissant les mêmes fonctions portent les mêmes

références numériques que sur la figure 1.

Pour permettre le fonctionnement normal du moteur à combustion interne sans aucune assistance de la chambre

auxiliaire de combustion, des turbocompresseurs à gaz d'échap-.

pement 171 et 181 sont dimensionnés de telle sorte que l'ali-

mentation en air dudit moteur soit assurée, dans des condi-

tions optimales de fonctionnement, par l'un ou par les deux turbocompresseurs conjugués, en fonction de la plage de charge partielle Les turbines des turbocompresseurs 171 et

181 sont référencées par 251 et 261,respectivement. Un dis-

tributeur 281 occupe soit sa position "a" (pour une plage

inférieure de charge partielle correspondant à un fonction-

nement avec suralimentation par un turbocompresseur), soit sa position "b" (pour la plage supérieure allant de la charge partielle à la pleine charge du moteur et correspondant à

un fonctionnement avec suralimentation par deux turbocompres-

seurs). Lorsque le moteur à combustion interne accélère à partir du ralenti ou bien du fonctionnement sous faible charge partielle, le fonctionnement est exactement le même

que celui décrit ci-avant en regard de la figure 1. La capa-

cité commune ou le pouvoir commun de refou-

lement d'air des deux turbocompresseurs 171 et 181

bst, dans un simple but d'optimaiisation, adap-

té au fonctionnement normal du moteur et, de ce fait, il est trop faible par rapport aux débits massiquesdes gaz d'échappement ou d'air engendrés lors d'une accélération soutenue par la chambre auxiliaire. De ce fait,

pour permettre une adaptation aux exigences de l'accéléra-

tion, il est prévu un autre turbocompresseur à gaz d'échappe-

ment 46, qui, comprenant une turbine 47 et un compresseur

48, ne reçoit des gaz compriméspar un conduit 53,que lors-

qu'il y a allumage dans la chambre auxiliaire de combustion 31. L'air refoulé par le compresseur 48 parvient dans un conduit 32 raccordé à ladite chambre 31, en parcourant un conduit 51,dans lequel se trouve un dispositif pilote 52 pouvant être réglé jusqu'à interdire tout passage. Dans un

conduit d'aspiration 50 du compresseur 48, se trouve un cla-

pet anti-retour 49, tout comme dans le compresseur 181. Lors-

que les pilotes 34 ou 35 et 52 sont ouverts et que la cham-

bre auxiliaire 31, dans laquelle il y a eu allumage,ne fonc-

tionne encore qu'à une faible puissance (de sorte que le turbocompresseur 46 n'est pas encore en mesure de refouler à l'encontre de la pression de suralimentation régnante), le clapet anti-retour 49 empêche une baisse de pression dans

le système d'alimentation en air du moteur à combustion in-

terne. En présence du turbocompresseur 46, le débit obtenu globalement avec les trois turbocompresseurs de la figure 2

correspond sensiblement à celui de l'exemple de la figure 1.

Etant donné que les turbocompresseurs 171 et 181 n'ont pas besoin d'être équipés d'appareils directeurs réglables et compliqués, et que le turbocompresseur 46 peut présenter les mêmes dimensions que les deux autres turbocompresseurs, voire des dimensions inférieures, il en résulte une solution

particulièrement économique pour la réalisation concrète.

Le regroupement des conduits de gaz d'échappement 15 et 16 dans le conduit 36 en amont du distributeur 28 ou

281 (figures 1 et 2) ne constitue pas le seul agence-

ment possible. Ces conduits 15 et 16 peuvent également se pro-

longer séparément jusqu'au distributeur 28 ou 281 et ne se rejoindre dans ce dernier que lorsqu'il occupe-sa position "a"

ou "c", afin d'alimenter en commun le conduit 39 ou 29. Ain-

si, lorsque le distributeur est en position "b", la réunion

des conduits de gaz d'échappement du moteur devient super-

flue lorsque chaque rangée 11 ou 12 de cylindres coopère avec

l'un des turbocompresseurs 17, 18 ou 171, 181.

Dans un but de clarté, le distributeur 28 est il-

lustré sous la forme d'une unité globale monobloc dans les exemples cidessus. Cependant, il est également possible d'utiliser des distributeurs individuels associés à chacun des conduits

commandés par ledit distributeur 28.

Il va de soi que de nombreuses modifications peu-

vent être apportées au moteur à combustion interne décrit et

représenté, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Moteur à combustion interne suralimenté par

turbocompresseurs à gaz d'échappement et équipé d'une cham-

bre auxiliaire de combustion dont les gaz d'échappement sont dirigés de temps à autre vers la turbine d'un turbocompres- seur à gaz d'échappement, afin d'améliorer le comportement à l'accélération dudit moteur à combustion interne, l'air comburant permettant le fonctionnement de ladite chambre

auxiliaire étant prélevé sur le courant d'air d'alimentation en-

gendré par ledit turbocompresseur, moteur caractérisé par le fait qu'il est associé à au moins deux turbocompresseurs

à gaz d'échappement (17, 18; 171, 181) fonctionnant en paral-

lèle; par le fait que les gaz s'échappant dudit moteur con-

tourne les turbines (25, 26; 251, 261) desdits turbocompres-

seurs (17, 18; 171, 181) lors de l'accélération; et par

le fait que les gaz d'échappement de ladite chambre auxiliai-

re (31) assurent à eux seuls l'entraînement de tous les turbocompresseurs.

2. Moteur à combustion interne selon la revendi-

cation 1, caractérisé par le fait que le-s turbines (25, 26) des turbocompresseurs (17, 18) sont dimensionnées en fonction du débit massique des gaz d'échappement de la chambre auxiliaire (31), ces turbines (25, 26) desdits turbocompresseurs (17, 18) étant équipées chacune d'un appareil directeur réglable (44, 45)

connu en soi.

3. Moteur à combustion interne selon la revendica-

tion 1, caractérisé par le fait que, à côté du ou des turbo-

compresseurs (17, 18; 171, ll).permettant le fonctionnement

normal dudit moteur, se trouve au moins un autre turbo-

compresseur à gaz d'échappement (46), vers lequel les gaz

s'échappant de la chambre auxiliaire (31) sont également di-

rigés lorsque ledit moteur accélère.

4. Moteur à combustion interne selon la revendica-

tion 1, caractérisé par le fait que la répartition du débit

d'air d'alimentation entre la chambre auxiliaire (31) et le-

dit moteur est assurée par au moins un organe d'étranglement

réglable ou pilote (34).