FR2564145A1 - Wastegate pneumatic control for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne une commande pneumatique dénommée wastegate, c'est-à-dire comportant un clapet de mise à l'air libre des gaz d'échappement qui ne sont pas nécessaires å l'entrainement de la turbine. The present invention relates to a pneumatic control called wastegate, that is to say comprising a valve for venting the exhaust gases which are not necessary for driving the turbine.
La commande pneumatique wastegate selon l'invention est destinée à un moteur à combustion interne équipé d'un turbocompresseur à gaz d'échappement, et comporte, relié au corps de vanne du wastegate et le commandant, un boitier de pression avec une première chambre de compression alimentée avec la pression de sortie du compresseur et une deuxième chambre de compression qui, par l'intermédiaire d'une vanne magnétique , peut être reliée à une source de dépression, dans une configuration telle qu'une augmentation de pression dans la première chambre de compression agit en sens inverse de la force exercée par un ressort de fermeture sur le corps de vanne.The pneumatic wastegate control according to the invention is intended for an internal combustion engine equipped with an exhaust gas turbocharger, and comprises, connected to the valve body of the wastegate and the commander, a pressure unit with a first compression supplied with the outlet pressure of the compressor and a second compression chamber which, via a magnetic valve, can be connected to a source of vacuum, in a configuration such as an increase in pressure in the first chamber compression acts in the opposite direction to the force exerted by a closing spring on the valve body.
Dans la commande wastegate de ce type, connue par le donnent DE-OS 31 26 365, F02D 23/00, on utilise pour l'obtention des pressions de commande dans le boîtier de pression, un clapet d'étranglement, disposé en amont du compresseur du turbocompresseur, servant d'organe classique de réglage de puissance. Cette commande wastegate connue offre ainsi, en effet, l'avantage d'éviter non seulement des pressions d'admission élevées dangereuses dans une plage de charge élevée du moteur à combustion interne, mais encore une augmentation indésirable de la contre-pression des gaz d'échappement dans le compresseur dans une plage de charge basse dans laquelle le turbocompresseur n'entrain pratiquement aucune augmentation de puissance du moteur.Dans les deux domaines de charge évoqués, la turbine à gaz d'échappement du turbocompresseur est effectivement court-circuitée au moyen de la commande wastegate, de telle sorte que, dans la plage de charge élevée évoquée, une partie seulement des gaz d'échappement produits par le moteur parvient à la turbine à gaz et l'entraine, tandis que, dans la plage de charge basse, la commande wastegate relie un bypass à faible résistance de débit à la turbine à gaz d'échappement. L'utilisation de la commande wastegate connue suppose cependant l'existence d'un clapet d'étranglement, si bien que cette commande wastegate ne peut pas être installée dans les moteurs Diesel classiques par exemple, qui ne possèdent pas de clapet d'étranglement comme organe de réglage de puissance. In the wastegate control of this type, known from the data DE-OS 31 26 365, F02D 23/00, a throttle valve is arranged upstream of the control valve to obtain the control pressures in the pressure box. compressor of the turbocharger, serving as a conventional power control member. This known wastegate control thus offers, in fact, the advantage of not only avoiding dangerous high intake pressures in a high load range of the internal combustion engine, but also an undesirable increase in the back pressure of the gases d exhaust in the compressor in a low load range in which the turbocharger causes practically no increase in engine power. In the two load areas mentioned, the exhaust gas turbine of the turbocharger is effectively short-circuited by means of the wastegate control, so that, in the high load range mentioned, only a part of the exhaust gases produced by the engine reaches the gas turbine and drives it, while, in the low load range , the wastegate control links a low flow resistance bypass to the exhaust gas turbine. However, the use of the known wastegate control presupposes the existence of a throttle valve, so that this wastegate control cannot be installed in conventional diesel engines for example, which do not have a throttle valve as power regulator.
Le dispositif de commande connu par le document
US-PS 4 005 579, F02D 23100 pour un turbocompresseur à gaz d'échappement présente le même inconvénient. Là, on réalise une commande des rapports de pression dans le boîtier de pression en fonction de la position d'un accélérateur ou d'un clapet d'étranglement au moyen du circuit d'huile de graissage, de telle sorte qu'il n'existe aucune commande purement pneumatique (le cas échéant, avec emploi de vannes électromagnétiques).The control device known from the document
US-PS 4 005 579, F02D 23100 for an exhaust gas turbocharger has the same drawback. There, control of the pressure ratios in the pressure box is carried out as a function of the position of an accelerator or a throttle valve by means of the lubricating oil circuit, so that it does not there is no purely pneumatic control (if necessary, using electromagnetic valves).
Le problème de la presente invention consiste par conséquent à créer une commande pneumatique wastegate du type précité, sans nuire aux propriétés avantageuses de cette commande, qui puisse être installée, indépendamment du type de moteur, c'est-à-dire également dans des moteurs ne comportant pas de clapet d'étranglement comme organe de réglage de puissance, et en utilisant des dispositifs déjà existants. The problem of the present invention therefore consists in creating a pneumatic wastegate control of the aforementioned type, without harming the advantageous properties of this control, which can be installed, regardless of the type of engine, that is to say also in engines. not having a throttle valve as a power adjustment member, and using already existing devices.
La solution de ce problème consiste en ce que, dans toutes les plages de charge du moteur, la première chambre de compression est alimentée par la pression de sortie du compresseur, en ce que la source de dépres- sion est un générateur de dépression, existant par ailleurs pour l'alimentation d'équipements complémentaires et commande par le moteur, en ce qu'en outre, dans une plage de charge basse du moteur, au cours de laquelle la soufflante ne produit pratiquement aucune augmentation de puissance, la vanne magnétique est commandée dans le sens de l'ouverture d'une conduite de liaison entre une deuxième chambre de compression et un générateur de dépression par un interrupteur mis en oeuvre en fonction de la charge et en ce que la surface du corps de vanne exposée à la pression des gaz d'échappement, le boitier de pression et le ressort de fermeture sont conçus de telle sorte que la commande wastegate s'ouvre aussi bien dans la plage de charge basse par l'intermédiaire de la dépression que dans une plage de charge élevée par l'intermédiaire de la pression de sortie du compresseur. Une configuration avantageuse de l'invention s'applique à un moteur à combustion interne équipé d'une pompe d'injection, ainsi, par exemple, qu'à un moteur Diesel. The solution to this problem consists in that, in all the load ranges of the engine, the first compression chamber is supplied by the outlet pressure of the compressor, in that the source of depression is a vacuum generator, existing moreover for the supply of additional equipment and control by the motor, in that in addition, in a low load range of the motor, during which the blower produces practically no increase in power, the magnetic valve is controlled in the direction of the opening of a connecting line between a second compression chamber and a vacuum generator by a switch operated according to the load and in that the surface of the valve body exposed to pressure exhaust gases, the pressure box and the closing spring are designed so that the wastegate control opens both in the low load range via the vacuum only in a high load range via the compressor outlet pressure. An advantageous configuration of the invention applies to an internal combustion engine equipped with an injection pump, as well as, for example, to a diesel engine.
Ainsi, lors des charges élevées du moteur, une communication du bypass sur la turbine à gaz d'échappement du compresseur se produit au moyen de la commande wastegàte du fait de la pression de sortie de compresseur, donc de la pression d'admission, tandis que dans la plage de charge basse, en vue d'interdire une augmentation indésirable de la contre-pression des gaz d'échappement, du fait que le turbocompresseur tourne pratiquement au ralenti, une communication du bypass est établie par la dépression du générateur de dépression qui existe par ailleurs pour le fonctionnement d'un freinage assisté, par exemple. Thus, during high engine loads, communication of the bypass on the exhaust gas turbine of the compressor occurs by means of the wastegàte control due to the compressor outlet pressure, therefore the inlet pressure, while that in the low load range, in order to prevent an undesirable increase in the exhaust gas back pressure, since the turbocharger is practically idling, a bypass communication is established by the depression of the vacuum generator which also exists for the operation of assisted braking, for example.
On évite ainsi de façon avantageuse la nécessité d'un clapet d'étranglement comme organe de réglage de puissance pour la production de pressions de commande dans le boitier de pression
Un exemple de réalisation de l'invention dans le cas d'un moteur à combustion interne équipé d'une pompe d'injection de carburant, un moteur Diesel par exemple, est explicité dans ce qui suit à l'aide du dessin annexe. This advantageously avoids the need for a throttle valve as a power adjustment member for the production of control pressures in the pressure box.
An exemplary embodiment of the invention in the case of an internal combustion engine equipped with a fuel injection pump, a diesel engine for example, is explained in the following with the aid of the accompanying drawing.
Le moteur proprement dit, c'est-à-dire pour l'essentiel le bloc-cylindres est en 1 ; en 2, on reconnaît l'agencement des tuyaux d'aspiration et- en 3 celui des conduites des gaz d'échappement qui sont reliées par le collecteur des gaz d'échappement 4 à la turbine à gaz d'échappement 5 du turbocompresseur à gaz d'échappement désigné par 6, comportant en outre le compresseur 7. De manière usuelle les rotors de la -turbine 5 et du compresseur 7 se trouvent sur un arbre ; de même que la conduite bypass 8, commandable au moyen de la commande wastegate 9, la turbine débouché dans la conduite de sortie des gaz d'échappement 10 de tout l'ensemble 1. The engine itself, that is to say essentially the cylinder block is in 1; in 2, we recognize the arrangement of the suction pipes and - in 3 that of the exhaust gas pipes which are connected by the exhaust gas manifold 4 to the exhaust gas turbine 5 of the gas turbocharger exhaust designated by 6, further comprising the compressor 7. Usually the rotors of the -turbine 5 and of the compressor 7 are on a shaft; as well as the bypass line 8, controllable by means of the wastegate control 9, the turbine outlet in the exhaust gas outlet line 10 of the whole assembly 1.
L'alimentation en carburant s'effectue par l'intermédiaire de la pompe d'injection 11 dont le levier de position 12 est relié à un accélérateur qui est actionné par le conducteur du véhicule équipé du moteur. The fuel is supplied via the injection pump 11, the position lever 12 of which is connected to an accelerator which is actuated by the driver of the vehicle equipped with the engine.
La commande wastegate 9, munie du corps de vanne 13, a deux fonctions : d'une part, elle doit, dans une plage de charge élevée de la machine, écarter l'apparition d'une pression d'admission élevée dans la conduite d'admission 14, provoquée par une production élevée de gaz d'échappement et, par là, le risque de détérioration du turbocompresseur, et d'autre part, elle doit, dans une plage de charge basse de la machine, dans laquelle le turbocompresseur 6 à gaz d'échappement, eu égard à la faible production de gaz d'échappement, ne fonctionne qu'avec un nombre de tours peu élevé, écarter un accroissement indésirable de la contre-pression des gaz d'échappement dans le turbocompresseur 6. Cette contre-pression des gaz d'échappement entraînerait une augmentation indésirable de la consommation de carburant. The wastegate control 9, fitted with the valve body 13, has two functions: on the one hand, it must, in a high load range of the machine, prevent the appearance of a high intake pressure in the line d intake 14, caused by a high production of exhaust gas and, thereby, the risk of deterioration of the turbocharger, and on the other hand, it must, in a low load range of the machine, in which the turbocharger 6 with exhaust gases, in view of the low production of exhaust gases, only works with a low number of revolutions, discard an undesirable increase in the exhaust gas back pressure in the turbocharger 6. This exhaust gas back pressure would cause an undesirable increase in fuel consumption.
Le boîtier de pression 16 sert à la commande appropriée de la commande wastegate 9, en liaison avec le ressort de fermeture 17, qui repose sur la membrane 25 du boîtier de pression ; le corps de vanne 13 est relié à la membrane. The pressure box 16 serves for the appropriate control of the wastegate control 9, in connection with the closing spring 17, which rests on the membrane 25 of the pressure box; the valve body 13 is connected to the membrane.
Le boitier de pression 16 présente la première chambre de compression 18 et la deuxième chambre de compression 19. Tandis que la premiere chambre de compression 18 est alimentée en permanence par l'intermédiaire de la conduite 20 par la pression de sortie du compresseur 7, la deuxième chambre de compression 19 n'est alors reliée, par la conduite de liaison 21, au générateur de dépression 22 entraîné par le moteur 1 que si la vanne magnétique 23 a mis en circuit la conduite de liaison 21. The pressure box 16 has the first compression chamber 18 and the second compression chamber 19. While the first compression chamber 18 is permanently supplied via the line 20 by the outlet pressure of the compressor 7, the second compression chamber 19 is then connected, via the connection line 21, to the vacuum generator 22 driven by the motor 1 only if the magnetic valve 23 has switched on the connection line 21.
L'interrupteur 24, qui sert à la commande appropriée de la vanne magnétique 23, est relié au levier de position 12 de la pompe d'injection 11, de façon qu'il ne soit fermé que dans la plage de charge basse décrite du moteur 1 et, en conséquence, la vanne électromagnétique 23 fonctionne dans le sens de la mise en circuit de la conduite de liaison 21. Dans tous les autres cas de fonctionnement, la vanne magnétique 23, constituée comme une vanne à trois voies, relie la deuxième chambre de compression à l'atmosphère.The switch 24, which serves for the appropriate control of the magnetic valve 23, is connected to the position lever 12 of the injection pump 11, so that it is closed only in the described low load range of the engine. 1 and, consequently, the electromagnetic valve 23 operates in the direction of switching on the connection pipe 21. In all other operating cases, the magnetic valve 23, constituted as a three-way valve, connects the second compression chamber to the atmosphere.
Par l'ajustement mutuel de la force du ressort de fermeture 17 et de la face du corps de vanne 13 soumise à la pression des gaz d'échappement, à gauche sur la figure, ainsi que des deux faces de la membrane 25 soumises à pression, on parvient ainsi, avec des moyens très simples, à connecter la commande wastegate 9, dans une plage de charge élevée de la machine 1, par la pression de sortie du compresseur, c'est-à-dire la pression d'admission, et au contraire, dans une plage de charge basse, pour laquelle le turbocompresseur à gaz d'échappement 6 ne contribue pratiquement pas à l'augmentation de puissance et produit une contre-pression élevée indésirable de gaz d'échappement, par la dépression du bypass 8, si bien que dans les deux cas, la turbine à gaz d'échappement 5 est court-circuitée. By mutual adjustment of the force of the closing spring 17 and of the face of the valve body 13 subjected to the pressure of the exhaust gases, on the left in the figure, as well as of the two faces of the membrane 25 subjected to pressure , we thus manage, with very simple means, to connect the wastegate control 9, in a high load range of the machine 1, by the outlet pressure of the compressor, that is to say the inlet pressure, and on the contrary, in a low load range, for which the exhaust gas turbocharger 6 practically does not contribute to the increase in power and produces an undesirable high exhaust gas back pressure, by the depression of the bypass 8, so that in both cases, the exhaust gas turbine 5 is short-circuited.
Dans l'exemple de réalisation décrit, on admet que le boîtier de pression 16 est équipé d'une membrane 25. On comprend facilement que l'on pourrait prévoir à la place un piston dans un corps cylindrique d'un boîtier de pression. In the embodiment described, it is assumed that the pressure unit 16 is equipped with a membrane 25. It is easily understood that one could instead provide a piston in a cylindrical body of a pressure unit.
Le générateur de dépression peut être actionné directement ou indirectement par le moteur, par exemple au moyen de l'énergie électrique produite par celuici. The vacuum generator can be actuated directly or indirectly by the motor, for example by means of the electrical energy produced by it.
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