FR2535392A1

FR2535392A1 - BOOSTER SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Info

Publication number: FR2535392A1
Application number: FR8317159A
Authority: FR
Inventors: Filippo Surace
Original assignee: Alfa Romeo Auto SpA
Current assignee: Alfa Romeo Auto SpA
Priority date: 1982-10-29
Filing date: 1983-10-27
Publication date: 1984-05-04
Also published as: DE3338330A1; IT8224007A0; GB2129055A; IT1153323B; GB8328424D0

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN SYSTEME DE SURALIMENTATION POUR MOTEURS A COMBUSTION INTERNE, DANS LEQUEL L'AIR COMPRIME EST REFROIDI PAR UN PASSAGE SUCCESSIF A TRAVERS UN ECHANGEUR DE CHALEUR 17 ET UNE TURBINE DE DETENTE 19, ET DANS LEQUEL L'ENERGIE PRODUITE PAR LE TRAVAIL DE LA TURBINE EST EXPLOITEE POUR ASSURER UNE COMPRESSION SUPPLEMENTAIRE DE L'AIR.The invention relates to a supercharging system for internal combustion engines, in which the compressed air is cooled by a successive passage through a heat exchanger 17 and a pressure turbine 19, and in which the energy produced by the work TURBINE IS OPERATED TO ENSURE ADDITIONAL COMPRESSION OF THE AIR.

Description

Une des méthodes les plus couramment adoptées pour augmenter la puissanceOne of the most common methods of increasing potency

des moteurs à combustion interneinternal combustion engines

réside dans la suralimentation, réalisée 3 l'aide de com- lies in overeating, achieved by using

presseurs volumétriques ou centrifuges. volumetric or centrifugal pressers.

L'efficacité de la suralimentation dépend de l'aug- The efficiency of overeating depends on the increase

mentation de densité conférée à l'air par effet de la com- density density imparted to the air by effect of the composition

pression et elle est d'autant plus grande que la densité pressure and the higher the density

est élevée.is high.

L'augmentation de densité s'accompagne toutefois 1 o d'une notable augmentation de la température, ce qui dans However, the increase in density is accompanied by a notable increase in temperature, which in

les moteurs à allumage commandé comporte un risque de dé- spark ignition engines carry a risk of

tonation Pour éviter ce risque, on doit alors réduire le taux de compression volumétrique, ce qui se traduit par une augmentation de la consommation en combustible aux faibles tonation To avoid this risk, the volumetric compression ratio must be reduced, which translates into an increase in fuel consumption at low

charges du moteur, d'ou la nécessité de prévoir un refroi- engine loads, hence the need to provide cooling

dissement de l'air avant son admission dans les cylindres. air softening before its admission into the cylinders.

Dans la plupart des cas, le refroidissement de l'air avant son admission dans les cylindres est assuré par des échangeurs de chaleur du type airair ou air-eau Toutefois il s'agit de solutions d'une efficacité limitée car ils ne In most cases, the air is cooled before being admitted into the cylinders by air or air-water type heat exchangers. However, these are solutions of limited efficiency because they do not

sont pas en mesure de permettre des refroidissements impor- are unable to allow significant cooling

tants de l'air d'alimentation, car la température du fluide supply air because the fluid temperature

de refroidissement est tout au plus égale, mais jamais in- at most is equal, but never in-

férieure, à la température ambiante. lower, at room temperature.

D'autre part, ces solutions comportent des encom- On the other hand, these solutions include

brements d'autant plus grands que la capacité de refroidis- brements all the greater as the cooling capacity

sement de l'échangeur est élevée pour un saut de température donné, la transmission de la chaleur s'accroissant dans la heat exchanger is high for a given temperature jump, the heat transmission increasing in the

même mesure que l'on augmente les surfaces d'échange ther- same measure as we increase the heat exchange surfaces

mique Pour franchir les limitations imposées par ces solu- To overcome the limitations imposed by these solutions

tions, sans pour autant avoir recours à des constructions très complexes, on a alors envisagé de réaliser un système de suralimentation pour moteurs à combustion interne dans lequel l'air comprimé est refroidi dans une certaine mesure dans un échangeur de chaleur pour être ensuite soumis à une détente partielle, essentiellement adiabatique, dans une turbine o il est fortement refroidi jusqu'à une température tions, without having to resort to very complex constructions, it was then envisaged to produce a supercharging system for internal combustion engines in which the compressed air is cooled to a certain extent in a heat exchanger to then be subjected to partial expansion, essentially adiabatic, in a turbine where it is strongly cooled to a temperature

inférieure ou égale à la température ambiante, avec une. less than or equal to room temperature, with a.

dressnon variation de temperature qui est fonctioqn de la diff Vrence le/ et d'autre 2 de part/ de cette même turbine Une des caractéristiques dressnon variation of temperature which is functioqn of diff vrence on / and on the other hand 2 of this same turbine One of the characteristics

essentielles de l'invention réside dans le fait que l'éner- essential of the invention resides in the fact that the energy

gie produite par la turbine est utilisée pour entraîner un gie produced by the turbine is used to drive a

compresseur complrmentaire qui assure une compression sup- additional compressor which provides additional compression

plémentaire de l'air en additionnant sa propre action à celle of air by adding its own action to that

du compresseur normal relié au fonctionnement du moteur. of the normal compressor connected to the operation of the engine.

Ceci évite de faire fonctionner dans les conditions les plus critiques le compresseur relié au moteur, pour Pouvoir obtenir la même surcompression, ou d'avoir recours à des solutions complexes, comme par exemple plusieurs This avoids running the compressor connected to the engine under the most critical conditions, in order to be able to obtain the same over-compression, or having to resort to complex solutions, such as for example several

étages de compression reliés opérationnellement au moteur. compression stages operationally connected to the engine.

Le système de suralimentation ainsi réalisé eomprend au moins un conduit d'aspiration de l'air doté de premiers moyens de compression de l'air et relié au fonctionnement du moteur à crmbuistion interne, de moyens échangeurs de chaleur pour un refroidissement partiel de l'air, disposés The supercharging system thus produced includes at least one air suction duct provided with first air compression means and connected to the operation of the internal combustion engine, heat exchanger means for partial cooling of the air, arranged

en aval desdits premiers moyens de compression, et caracté- downstream of said first compression means, and character-

risé par le fait qu'il est également doté d'une turbine dans laquelle l'air subit une détente partielle, disposée en aval desdits moyens échangeurs de chaleur, et des seconds moyens de compression de l'air, disposés en amont desdits moyens échangeurs de chaleur et reliés au fonctionnement de ladite turbine. Le combustible nécessaire pour former le mélange pourra être alimenté par un système, soit qu'il s'agisse laughed at by the fact that it is also provided with a turbine in which the air undergoes partial expansion, disposed downstream of said heat exchanger means, and second air compression means, arranged upstream of said exchanger means heat and connected to the operation of said turbine. The fuel necessary to form the mixture can be supplied by a system, either

d'essence ou de gasoil, ou bien être fourni par des carbu- petrol or diesel, or else be supplied by fuels

rants disposés préférablement en aval dudit échangeur de chaleur. La figure 1 i représente schématiquement une forme de réalisation du système d'alimentation selon l'invention, tandis que la figure 2 montre une variante de la première rants preferably arranged downstream of said heat exchanger. Figure 1 i schematically shows an embodiment of the supply system according to the invention, while Figure 2 shows a variant of the first

forme de réalisation.embodiment.

Sur la figure 1 la référence 10 désigne un moteur à combustion interne multicylindrique alimenté avec de l'air In FIG. 1, the reference 10 designates a multi-cylinder internal combustion engine supplied with air.

ou avec un emelange d'air et combustible à travers le col- or with a mixture of air and fuel through the collar

lecteur d'aspiration 11 Après avoir été éventuellement filtré, l'air d'alimentation du moteur entre à travers le conduit d'aspiration 12 dans le compresseur centrifuge 13 pour passer ensuite, à travers la portion de conduit d'aspiration I 4 > dans le compresseur centrifuge 15 L'air comprimé parvient ensuite, à travers le conduit d'aspiration 16, dans l'échangeur de chaleur 17, par exemple du type air-air, oy il perd une partie des calories acquises dans les compresseurs 13 et 15 par effet d'une compression es- suction reader 11 After being optionally filtered, the engine supply air enters through the suction duct 12 into the centrifugal compressor 13 and then passes, through the portion of suction duct I 4> into the centrifugal compressor 15 The compressed air then reaches, through the suction duct 16, in the heat exchanger 17, for example of the air-air type, where it loses part of the calories acquired in the compressors 13 and 15 by the effect of a compression es-

sentiellement adiabatique.substantially adiabatic.

Successivement, l'air parvient, à travers le conduit d'aspiration 1 &, dans une turbine centripète 19 ou il subit une détente partielle, essentiellement adiabatique, et successivement un fort refroidissement qui l'amène à une Successively, the air arrives, through the suction duct 1 &, in a centripetal turbine 19 where it undergoes partial expansion, essentially adiabatic, and successively a strong cooling which brings it to a

température égale ou inférieure à la température atmosphé- temperature equal to or lower than atmospheric temperature

rique, la température en fin de détente étant fonction de la risk, the temperature at the end of expansion being a function of the

différence de pression'de part et d'autre de la turbine. pressure difference on either side of the turbine.

L'air qui sort de la turbine 19 parvient enfin, à travers le conduit d'aspiration 20, dans le collecteur 11 The air which leaves the turbine 19 finally arrives, through the suction pipe 20, in the manifold 11

et depuis celui-ci dans les cylindres du moteur 10. and from there into the cylinders of engine 10.

Naturellement, on pourra prévoir d'alimenter sépa- Naturally, provision may be made to feed separately

rément des groupes différents de cylindres du moteur, en different groups of engine cylinders,

adoptant pour chaque groupe de cylindres un système de sura- adopting for each group of cylinders a system of sura-

limentation comme celui qui vient d'être décrit. feeding like the one just described.

Comme on peut le voir sur la figure, le compresseur 13 est entraîné par la turbine 19 à travers l'arbre 21, de As can be seen in the figure, the compressor 13 is driven by the turbine 19 through the shaft 21,

manière à exploiter l'énergie produite par la détente par- so as to harness the energy produced by relaxation

tielle de l'air dans ladite turbine. of air in said turbine.

Dans l'emple représenté, le compresseur 15 est entraîné à travers-l'arbre 25 par une turbine centripète 24 In the example shown, the compressor 15 is driven through the shaft 25 by a centripetal turbine 24

actionnée par les gaz d'échappement du moteur. powered by engine exhaust.

Les gaz de la combustion produits par le moteur The combustion gases produced by the engine

sortent dans le collecteur 22 et depuis celui-ci ils par- exit into the collector 22 and from there they go

viennent, à travers le conduit 23, dans la turbine 24 Une partie des gaz d'échappement passe dans le conduit de dérivation 26, si la valve 27 est ouverte, lorsque la pression dans le collecteur Il dépasse une valeur de seuil préfixée. A travers le conduit 28, les gaz de la combustion confluent dans le tuyau d'échappement 29 qui sort de la come through the duct 23 into the turbine 24 Part of the exhaust gas passes into the bypass duct 26, if the valve 27 is open, when the pressure in the manifold It exceeds a preset threshold value. Through the duct 28, the combustion gases converge in the exhaust pipe 29 which leaves the

turbine 24.turbine 24.

Ainsi, grâce au système qui vient d'être décrit on parvient à obtenir un refroidissement efficace de l'air Thus, thanks to the system which has just been described, it is possible to obtain efficient cooling of the air.

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sous pression qui alimente le moteur, et cela par effet de la soustraction de chaleur qui se produit dans l'échangeur under pressure which supplies the engine, and this by effect of the subtraction of heat which occurs in the exchanger

et par la successive détente de l'air dans la turbine 19. and by the successive expansion of the air in the turbine 19.

La pression et par conséquent la densité de l'air à l'entrée des cylindres peuvent être maintenues aux valeurs désirées, sans avoir recours à des augmentations notables du potentiel du compresseur 15, car une partie de la différence de pression perduepar l'air dans la turbine 19 est compensée par l'augmentation de pression en amont, réalisée par le The pressure and therefore the density of the air at the inlet of the cylinders can be maintained at the desired values, without resorting to significant increases in the potential of the compressor 15, since part of the pressure difference lost by the air in the turbine 19 is compensated by the increase in pressure upstream, produced by the

compresseur supplémentaire 13.additional compressor 13.

Ces résultats ont d'ailleurs été vérifiés par calcul These results have also been verified by calculation

avec des configurations différentes du système. with different system configurations.

Avec un compresseur centrifuge 15 capable de donner un taux de compression Ac = 3, et avec un échangeur de chaleur 17 ayant un rendement -= 0,8, en supposant que la température de l'air ambiant soit Te = 27 C, on a trouvé, dans le cas d'un système dépourvu de la turbine 19 et du compresseur 13, une température de l'air comprimé à l'entrée With a centrifugal compressor 15 capable of giving a compression ratio Ac = 3, and with a heat exchanger 17 having an efficiency - = 0.8, assuming that the ambient air temperature is Te = 27 C, we have found, in the case of a system without the turbine 19 and the compressor 13, a temperature of the compressed air at the inlet

des cylindres Ta = 58 C et une densité de l'air 6 0,325 kgm/m 3. cylinders Ta = 58 C and an air density 6 0.325 kgm / m 3.

a En revanche, avec l'utilisation d'un compresseur centrifuge 15 capable de donner un taux de compression c= 4, un compresseur centrifuge 13 doté d'un taux de compression xcs = 17 et une turbine 19 dans laquelle on a réalisé cs difference une/de pression AT = 2,5, on a pu mesurer une température de l'air comprimé à l'entrée des cylindres Ta = 22 C et une a On the other hand, with the use of a centrifugal compressor 15 capable of giving a compression ratio c = 4, a centrifugal compressor 13 with a compression ratio xcs = 17 and a turbine 19 in which we realized this difference a / of pressure AT = 2.5, it was possible to measure a temperature of the compressed air at the inlet of the cylinders Ta = 22 C and a

densité de l'air 6 = 0,333 Kgm/m 3. air density 6 = 0.333 Kgm / m 3.

Par conséquent, on est parvenu à réaliser pratique- As a result, we managed to achieve practical-

ment la même suralimentation du moteur, avec sensiblement la même densité de l'air, mais avec une notable différence de la température d'alimentation, c'est-à-dire 58 C contre the same supercharging of the engine, with substantially the same air density, but with a notable difference in the supply temperature, i.e. 58 C against

22 C.22 C.

Si l'on n'avait pas prévu le compresseur 13, on If compressor 13 had not been provided, we

devrait avoir recours à un turbocompresseur 15, éventuel- should use a turbocharger 15, if any-

lement à étages multiples, capable de fournir à lui seul multistage, capable of supplying on its own

le taux de compression total de 4 x 1,7, soit 6,8. the total compression ratio of 4 x 1.7, or 6.8.

Le système de suralimentation représenté sur la figure 2 comporte les mêmes composants que celui de la figure 1, de sorte que ces derniers ont été repérés avec les mêmes The supercharging system shown in Figure 2 has the same components as that of Figure 1, so that these have been identified with the same

numéros de référence.reference numbers.

Les deux systèmes fonctionnent d'autre part d'une manière identique, l'unique différence étant représentée par la disposition du compresseur 13, qui dans le second The two systems also work in an identical manner, the only difference being represented by the arrangement of the compressor 13, which in the second

cas est situé en aval du compresseur 15. case is located downstream of compressor 15.

2535392:2535392:

""

REVEDICATIONS

1 Système de suralimentation pour moteurs à 1 Supercharging system for engines with

combustion interne, comprenant au moins un conduit d'aspi- internal combustion, comprising at least one vacuum duct

rati Dn de l'air doté de premiers moyens de compression de l'air et reli au fonctionnement du moteur à combustion air rati Dn equipped with first air compression means and linked to the operation of the combustion engine

interne, de moyens échangeurs de chaleur pour un refroidis- internal, heat exchanger means for cooling

sement partiel de l'air, disposés en aval desdits premiers moyens de compression, et caractérisé'par le fait qu'il est également doté d'une turbine ( 19), dans laquelle l'air subit une détente partielle, disposée en aval desdits moyens partially air, disposed downstream of said first compression means, and characterized in that it is also provided with a turbine (19), in which the air undergoes partial expansion, arranged downstream of said means

( 17) ( 13)(17) (13)

changeurs de chaleur/, et des seconds moyens/de compression de l'air, disposés en amont desdits moyens échangeurs de heat changers /, and second air compression means, arranged upstream of said heat exchanger means

chaleur et reliés au fonctionnement de ladite turbine ( 19). heat and connected to the operation of said turbine (19).

2 Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits seconds moyens de compression sont constitués par un compresseur centrifuge ( 13) disposé dans ledit conduit d'aspiration ( 12) en amont desdits premiers 2 System according to claim 1, characterized in that said second compression means are constituted by a centrifugal compressor (13) disposed in said suction duct (12) upstream of said first

moyens de compression ( 15).compression means (15).

3 Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits seconds moyens de compression sont constitués par un compresseur centrifuge ( 13) disposé dans ledit conduit d'aspiration ( 12) du moteur en aval desdits 3 System according to claim 1, characterized in that said second compression means are constituted by a centrifugal compressor (13) disposed in said suction duct (12) of the motor downstream of said

premiers moyens de compression ( 15). first compression means (15).