FR2794799A1 - Moteur a combustion interne multicylindres avec un turbocompresseur entraine par les gaz d'echappement - Google Patents

Moteur a combustion interne multicylindres avec un turbocompresseur entraine par les gaz d'echappement Download PDF

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Helmut Daudel
Helmut Finger
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Siegfried Sumser
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Abstract

Dans un moteur à combustion interne multicylindres, équipé d'un turbocompresseur entraîné par les gaz d'échappement (3) et d'au moins deux conduites de gaz d'échappement (7) séparées, associées â des cylindres (2) ou â des groupes de cylindres différents, les conduites de gaz d'échappement (7) sont susceptibles d'être reliées fluidiquement avant l'entrée dans la turbine (4), de manière correspondante à la position d'un organe de réglage (10), ou d'être séparées vis-à-vis de l'alimentation par chocs venant du moteur, en fonction du point de fonctionnement de celui-ci. Pour permettre, pour des nombres de cylindres quelconques, pour un faible coût de construction, d'établir une liaison ou une séparation en cas de besoin entre les conduites de gaz d'échappement (7) et la turbine (4), il est prévu selon l'invention un registre (10) faisant office d'organe de réglage, qui porte des tronçons de paroi (11) des conduites de gaz d'échappement (7), qui sont placés les unes contre les autres à peu près dans un plan, dans la zone du registre (10).

Description

Moteur à combustion interne multicylindres avec un turbocompresseur
entraîné par les gaz d'échappement L'invention concerne un moteur à combustion interne multicylindres, avec un turbocompresseur entraîné par les gaz d'échappement et avec au moins deux conduites de gaz d'échappement séparées, associées à des cylindres ou des, F groupes de cylindres différents, conduites allant à la turbine du turbocompresseur entraîné par les gaz d'échappement, selon les caractéristiques indiquées au
préambule de la revendication 1.
En alimentant la turbine avec les écoulements de gaz d'échappement séparés venant de différents cylindres ou groupes de cylindres, on peut, lorsqu'on a à faire à des moteurs à combustion suralimentés, en particulier pour des moteurs ayant un ordre de succession d'allumage désavantageux, tel que, par exemple, les moteurs à huit ou à cinq cylindres, améliorer le changement de charge. Lors d'une suralimentation par effet de choc, o le cas échéant les gaz d'échappement de chaque cylindre sont amenés individuellement à la turbine, les effets mutuels des
cylindres entre eux sont diminués, respectivement évités.
Une partie du travail d'expansion qui, autrement, n'est pas utilisable, des cylindres peut être récupérée grâce à la suralimentation par effet de choc et le transport d'énergie à la turbine peut être fortement amélioré. En particulier, dans la plage de charges et de vitesses de rotation inférieure à médiane du moteur à combustion interne, la fourniture d'air au moteur est avantagée par le biais de l'augmentation de la puissance de la turbine et, ainsi, de la puissance de compression, couplée, du turbocompresseur entrainé par les gaz d'échappement. Dans la plage de charge supérieure, à peu près à partir de la vitesse de rotation médiane du moteur à combustion interne, cependant, pour les conceptions de turbine usuelles, on obtient une surcharge du moteur si l'on fait appel à une suralimentation par
effet de choc.
Le document DE 32 00 521 C2 propose un agencement qui prévoit deux conduites de gaz d'échappement parallèles pour diriger les gaz d'échappement vers la turbine. Les conduites de gaz d'échappement présentent en amont de la turbine une liaison et peuvent être reliées ou séparées fluidiquement, de manière correspondante à la position d'un organe de réglage. L'organe de réglage est réalisé sous la forme d'une paroi intermédiaire rotative des canaux, dont/
l'axe de rotation est réglé dans la direction d'écoulement.
La paroi intermédiaire rotative est réglée par une unité de commande et est placée dans l'une des positions finales en
cas de besoin en fonction de la charge de fonctionnement.
Pour procéder à une suralimentation par effet de choc, dans la plage de charge partielle inférieure, les conduites de gaz d'échappement sont séparées et, dans l'autre position finale de la paroi intermédiaire, elles sont reliées
ensemble.
Dans le dispositif connu, utilisant la paroi intermédiaire, pouvant tourner, de deux canaux voisins comme organe de réglage pour assurer la liaison ou la séparation fluidique des flux de gaz d'échappement des cylindres, on ne peut effectuer, ou bien que pour un coût de construction élevé, une suralimentation par effet de choc efficace et la commutation entre les deux procédés de suralimentation disponibles pour des moteurs à combustion interne multicylindres. Pour chaque paire de conduites d'échappement, il faut avoir un organe de réglage propre, les déplacements de réglage de la pluralité d'organes de
réglage devant être synchronisés entre eux.
La présente invention a comme but de perfectionner le moteur à combustion interne du type du préambule, de manière qu'en cas d'un nombre quelconque de cylindres, on puisse, pour un faible coût de construction, établir en cas de besoin une liaison et une séparation des conduites de
gaz d'échappement en amont de la turbine.
Ce problème est résolu selon l'invention par les
caractéristiques de la revendication 1 du brevet.
Selon l'invention, l'organe de réglage assurant la séparation ou la liaison des conduites de gaz d'échappement est réalisé sous la forme d'un registre, qui porte des sections de paroi des conduites de gaz d'échappement et est disposé dans une zone des gaz d'échappement dans laquelle les conduites de gaz d'échappement sont situées les unes contre les autres, à peu près dans un plan. Lorsque le registre de réglage est en position de fermeture, les tronçons de paroi déplaçables sont placés en recouvrement avec les tronçons de paroi fixes des conduites de gaz d'échappement qui, ainsi, sont séparés les uns des autres fluidiquement. Pour assurer la liaison des conduites de gaz d'échappement, pour actionner le registre, les tronçons de paroi déplaçables sont placés hors de la position d'alignement avec la paroi de conduites continuant et dégagent ainsi une liaison entre les conduites de gaz
d'échappement placées les unes à côté des autres.
L'ensemble des conduites de gaz d'échappement sont alors reliées ou, en cas de besoin, séparées les unes des autres simultanément, au moyen du registre selon l'invention, afin de faire fonctionner le moteur avec une suralimentation par
onde de choc.
Le registre de réglage peut, de manière appropriée, être disposé dans la zone des embouchures des conduites de gaz d'échappement et peut ainsi être intégré dans le carter de turbine. L'allure des conduites de gaz d'échappement, entre le moteur à combustion interne et le turbocompresseur entraîné par les gaz d'échappement, peut être choisie librement et, ainsi également dans les agencements selon l'invention, pour lesquels à chaque cylindre doit être associée une conduite de gaz d'échappement séparée, on peut atteindre un faible volume de construction pour le moteur à combustion interne. Le registre peut avantageusement être configuré de façon à être déplacable axialement et/ou en rotation. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le registre de réglage est réalisé sous la forme d'un registre rotatif en forme de disque en anneau, qui est monté concentriquement par rapport à l'axe de turbine. Les embouchures des conduites de gaz d'échappement dans le carter de turbine s'étendent alors en secteur de cercle autour de l'axe de rotation de la turbine, les flux de gaz d'échappement respectifs s'embouchant à peu près tangentiellement dans la turbine. Les secteurs d'embouchure' des conduites de gaz d'échappement sont alors susceptibles d'être isolés les uns des autres ou reliés entre eux au moyen des tronçons de paroi, sur le registre rotatif. Les secteurs d'embouchure sont avantageusement disposés selon les mêmes angles périphériques autour de l'axe de turbine, des conduites de gaz d'échappement voisines ayant un
tronçon de paroi commun dans la zone des embouchures.
On considère alors comme approprié que le registre de réglage porte, par conduite de gaz d'échappement, une languette en saillie qui est répartie régulièrement sur la périphérie du registre. Lorsque le registre est en position de fermeture dans le but d'avoir une suralimentation par onde de choc, les languettes avec les tronçons d'extrémité communs des parois des conduites des gaz d'échappement sont placées en alignement dans la zone d'embouchure et ainsi les gaz d'échappement des cylindres sont dirigés dans la turbine individuellement, en des flux séparés. L'épaisseur des languettes et l'épaisseur de paroi des tronçons d'extrémité communs des conduites de gaz d'échappement sont
alors à peu près identiques.
On peut prévoir dans le registre de réglage une ou plusieurs ouvertures de passage dans les zones situées entre les languettes, qui sont situées dans la position radiale d'une entrée, couverte par le registre rotatif,
d'une conduite d'évacuation pour les gaz d'échappement.
L'ouverture de passage est alors susceptible d'être mise en recouvrement avec l'entrée et coopère avec le bord de l'entrée, en faisant office de soupape. On peut ainsi commander la conduite d'évacuation, par l'intermédiaire de la position du registre de réglage ou, dans la réalisation du registre de réglage comme registre rotatif, par le biais de la position angulaire de rotation du registre de réglage. La conduite d'évacuation partant du carter de turbine débouche, de manière appropriée, dans la conduite d'air de suralimentation, derrière le compresseur du turbocompresseur entraîné par les gaz d'échappement et ef peut, à des fins de recyclage des gaz d'échappement, ou également pour dériver de l'air de suralimentation, être insérée dans le circuit de gaz d'échappement du moteur à
combustion interne.
Un exemple de réalisation de l'invention va être décrit plus en détail ci-après à l'aide du dessin. Dans le dessin: La Fig. 1 représente une vue schématique d'un moteur à combustion interne selon l'invention avec un turbocompresseur entraîné par les gaz d'échappement, La Fig. 2 représente une coupe d'une turbine dans laquelle est intégré un registre de réglage, pour relier en cas de besoin les conduites de gaz
d'échappement des cylindres.
La Fig. 1 représente un moteur à combustion interne 1 avec, dans l'exemple de réalisation, quatre cylindres 2, qui sont suralimentés par un turbocompresseur entraîné par les gaz d'échappement 3. Le turbocompresseur entraîné par les gaz d'échappement 3 est constitué, de manière connue en soi, d'une turbine 4, qui est alimentée par les gaz d'échappement venant des cylindres 2 et entraîne en rotation un compresseur 5, par l'intermédiaire d'un arbre de compresseur 6. Le compresseur 5 véhicule, par l'intermédiaire d'une conduite d'air de suralimentation, l'air de combustion ayant été comprimé et l'amène aux cylindres 2. Un refroidisseur d'air de suralimentation 21
est disposé dans la conduite d'air de suralimentation 19.
La turbine 4 est réalisée en construction segmentée, les gaz d'échappement de chaque cylindre 2 étant introduits dans la turbine par une conduite de gaz d'échappement 7 séparée. Les flux de gaz d'échappement des cylindres alimentent la turbine à peu près tangentiellement, les embouchures 13 des conduites de gaz d'échappement 7 étant groupées en secteur de cercle autour de la turbine 4, avec
les mêmes angles périphériques.
Les embouchures 13 des conduites de gaz/ d'échappement 7 sont situées dans un plan commun, les parois 8, 9 de conduites de gaz d'échappement 7 voisines constituant un tronçon d'extrémité commun. La turbine 4 est entourée par un registre rotatif 10 en forme de disque d'anneau, qui, pour chaque conduite de gaz d'échappement 7, porte une languette 11 en saillie qui est disposée selon le même espacement angulaire périphérique. Le registre tournant 10 est mobile en rotation autour de l'axe de turbine, les languettes 11, en cas de besoin, pouvant être mises en alignement avec les tronçons de paroi fixes 8, 9 des conduites de gaz d'échappement 7. Dans la position représentée, les languettes sont placées hors de recouvrement avec les tronçons de paroi 8, 9 fixes, si bien que les conduites de gaz d'échappement 7 sont en liaison fluidique et que les gaz d'échappement de tous les cylindres s'injectent conjointement dans la turbine 4. Dans la plage de charge partielle inférieure du moteur à combustion 1, le registre rotatif 10 est à la position de fermeture et les languettes 11 sont placées en recouvrement avec les tronçons de paroi fixes 8, 9, si bien que les flux de gaz d'échappement des cylindres 2 sont introduits séparément dans la turbine. Le rendement de la turbine 4 peut, de cette manière, être augmenté du fait de l'amélioration du transport d'énergie vers la turbine 4,
obtenue lors de la suralimentation par onde de choc.
Au registre tournant 10 est associé un entraînement de réglage 15 qui est relié à une unité de commande 17 par une conduite de commande. En se basant sur un signal d'entrée 26, portant une indication sur le point de fonctionnement du moteur à combustion interne 1, l'unité de commande 17 génère des instructions de réglage destinées à l'entraînement de réglage 15 et place le registre tournant 10 à la position prévue pour le présent point de fonctionnement. Les paramètres de réglage prévus pour le registre tournant 10 sont placés dans une mémoire à / caractéristiques 25 et maintenus prêts pour l'unité de commande 17, pour effectuer une lecture en cas de besoin en fonction du signal d'entrée 26. Dans l'exemple de réalisation représenté, un entraînement de réglage 15 pneumatique est prévu, une bielle pouvant être sortie pneumatiquement d'un cylindre, agissant sur un levier pivotant monté sur le registre tournant 10. Un accumulateur de pression 28 est associé à l'entraînement de réglage 15 pneumatique. Il peut cependant être approprié d'avoir d'autres types d'entraînement de réglage, par exemple des
entraînements électriques.
Une quantité partielle de gaz d'échappement du moteur à combustion interne 1 peut être recyclée de la turbine 4 dans la conduite d'air de suralimentation 19, par l'intermédiaire d'une conduite d'évacuation 20. La conduite d'évacuation 20 débouche dans la direction de passage de l'écoulement de la conduite d'air de suralimentation 19, derrière le compresseur 5 et le refroidisseur d'air de suralimentation 21, un mélangeur 23 étant disposé dans la zone d'embouchure. En outre, un refroidisseur de gaz d'échappement 22, destiné aux gaz d'échappement recyclés, est prévu dans la conduite d'évacuation 20. L'ouverture de la conduite d'évacuation 20 est commandée par le registre tournant 10 qui recouvre l'entrée de la conduite d'évacuation 20 dans la turbine 4 et présente, dans la
position radiale de l'entrée, une ouverture de passage 24.
Pour libérer la conduite d'évacuation 20, on place l'ouverture de passage 24, par une rotation du registre tournant, en recouvrement avec l'entrée de la conduite d'évacuation 20. La plage de pivotement, prévue pour la commande de la conduite d'évacuation 20, du registre tournant 20 est déterminée par l'intermédiaire de l'angle périphérique de l'ouverture de passage 24. La limitation latérale de l'ouverture de passage 24 dans la direction périphérique du registre tournant 10 coopère avec le bord d'ouverture de l'entrée de la conduite d'évacuation 20 et constitue une arête de commande d'une soupape de la conduite d'évacuation 20. L'arête de commande est dotée du caractère de référence 31 sur la Fig. 2. En variante au recyclage des gaz d'échappement, la conduite d'évacuation peut également être insérée dans la turbine 4 pour assurer le soufflage de contournement de l'air de suralimentation dans la turbine 4, en particulier dans la plage des charges partielles du moteur à combustion interne le rapport de mélange air/carburant étant rendu maigre et l'émission de substances nocives, en particulier de gaz nitreux, pouvant
ainsi être diminuée.
La Fig. 2 représente une coupe dans le carter de turbine 14 de la turbine de turbocompresseur du moteur à combustion interne de la Fig. 1. On a alors utilisé les mêmes caractères de référence que sur la Fig. 1 pour désigner des composants identiques. Dans la représentation illustrée, le registre tournant 10 se trouve en position de fermeture, les languettes 11 étant alignées avec les tronçons d'extrémité 18 communs des parois fixes 8, 9 de conduites de gaz d'échappement 7a- 7d voisines. Les conduites de gaz d'échappement 7a-7d sont ainsi séparées fluidiquement les unes des autres si bien que les gaz d'échappement des cylindres pénètrent séparément par le distributeur 12 dans la turbine 4. Dans la plage des hautes charges, le registre tournant 10 est pivoté autour de l'axe de turbine 30 dans le sens de rotation 29 et, ainsi, on crée une liaison simultanée de toutes les conduites de gaz d'échappement 7a-7d, par l'intermédiaire de l'espace libéré chaque fois entre les tronçons d'extrémité 18 et le
distributeur 20.
L'épaisseur des languettes 11 correspond à l'épaisseur de paroi du carter de turbine 14 dans la zone des tronçons d'extrémité 18 communs des conduites de gaz d'échappement 7a-7d voisines, si bien que les faces latérales des languettes 11, dans la position de fermeture du registre tournant 10, sont en alignement avec les parois 8,9 fixes des conduites de gaz d'échappement. Les conduites de gaz d'échappement des quatre cylindres du
moteur à combustion interne débouchent sensiblement-
tangentiellement dans la turbine 4 et sont groupées autour de l'axe de turbine 30, en une distribution régulière. Les conduites de gaz d'échappement 7a-7d sont de forme géométriquement analogue dans la zone de leur entrée 13 dans la turbine et dirigent les gaz d'échappement en un arc tourné vers l'intérieur de la turbine 4. Les languettes 11 sont courbées en suivant le rayon de courbure L des conduites de gaz d'échappement 7a-7d et permettent ainsi dans la position de fermeture de registre tournant 10 d'avoir un guidage prolongé des flux de gaz d'échappement qui entrent. De cette manière, lors de la suralimentation par onde de choc, dans tout segment de turbine séparé par les languettes 11, les gaz d'échappement arrivent dans le
distributeur 12 avec une rotation d'entrée optimale.
Le registre tournant de la turbine est également utilisé avantageusement pour optimiser un fonctionnement en frein moteur assisté par la turbine. En fonctionnement en frein, à dessein on favorise l'effet de refoulement de la turbine sur les gaz d'échappement qui arrivent, si bien que le moteur à combustion interne est freiné par l'accroissement de travail effectué par le piston pour expulser les gaz d'échappement à l'encontre de la pression de refoulement augmentée devant la turbine. La caractéristique de puissance de freinage de la turbine peut être influencée par un réglage correspondant du registre tournant et par l'effet ainsi obtenu des languettes sur les gaz d'échappement qui s'écoulent. Les données de réglage
nécessaires au registre tournant 10 en fonctionnement en frein moteur sont placées dans le champ de caractéristiques 25 de l'unité de commande 17 et peuvent5 être interrogées, dans le cas o se présente une demande de puissance de freinage.

Claims (12)

REVENDI CATIONS
1. Moteur à combustion interne multicylindres, équipé d'un turbocompresseur entraîné par les gaz d'échappement (3) et d'au moins deux conduites de gaz d'échappement (7) séparées, associées à des cylindres (2) ou à des groupes de cylindres différents, conduites allant à la turbine (4) du turbocompresseur entraîné par les gaz d'échappement (3), qui sont susceptibles d'être reliées ou isolées fluidiquement de manière correspondante à la position d'un organe de réglage (10) monté avant l'entrée dans la turbine (4), l'organe de réglage (10) étant relié, par l'intermédiaire d'une ligne de commande (27), à une unité de commande (17) et recevant des instructions de réglage devant provoquer une séparation ou une liaison en cas de besoin des conduites de gaz d'échappement (7) en fonction du point de fonctionnement du moteur à combustion interne (1), caractérisé en ce que les conduites de gaz d'échappement (7) sont réalisées dans la zone de l'organe de réglage (10), en étant placées les unes contre les autres à peu près dans un plan, et l'organe de réglage étant réalisé sous la forme de registre (10), portant des tronçons de paroi (11) des conduites de gaz d'échappement (7), les tronçons de paroi (11) déplaçables étant susceptibles d'être placés en recouvrement avec les tronçons de parois fixes (8,9), pour assurer la coupure des conduites de gaz d'échappement (7), lorsque le
registre (10) est en position de fermeture.
2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le registre de réglage (10) est disposé dans la zone des embouchures (13) des conduites de
gaz d'échappement (7) dans la turbine (4).
3. Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le registre de réglage (10) est
mobile axialement et/ou en étant susceptible de tourner.
4. Moteur à combustion interne selon l'une des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les embouchures
des conduites de gaz d'échappement (7) dans la turbine s'étendent en secteur de cercle autour de l'axe de rotation (30) de la turbine (4), et le registre de réglage (10) est réalisé sous la forme de registre rotatif (10) en forme de disque annulaire, placé
concentriquement par rapport à l'axe de turbine (30).
5. Moteur à combustion interne selon la revendication 4, caractérisé en ce que le registre rotatif (10) porte, pour chaque conduite de gaz d'échappement (7), une languette en saillie qui est répartie régulièrement sur la périphérie du / registre tournant (10) et est susceptible d'être alignée,' sous forme d'un prolongement de paroi, avec les tronçons d'extrémité (18) communes des parois fixes (8,9) des
conduites de gaz d'échappement (7).
6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur des languettes (11) est à peu près identique à l'épaisseur de paroi des tronçons
d'extrémité (18) des conduites de gaz d'échappement (7).
7. Moteur à combustion interne selon l'une des
revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le registre
tournant (10) est disposé devant un distributeur à grille de turbine (12), dans la direction d'écoulement traversant
la turbine (4).
8. Moteur à combustion interne selon l'une des
revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les conduites
de gaz d'échappement (7) débouchent dans le carter de turbine (14), en étant coudées en direction de la turbine, tangentiellement au distributeur à grille (12), et les languettes (11) sont incurvées en suivant le rayon de
courbure (r).
9. Moteur à combustion interne selon l'une des
revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'entre les
languettes (11) sont prévue, dans le registre tournant (10), une ou plusieurs ouvertures de passage (24), placées dans la position radiale d'une entrée, couverte par le registre tournant (10), d'une conduite d'évacuation (20) et coopèrent avec le bord d'ouverture de l'entrée, en fonctionnant en soupape, par son arête de commande (31) placée dans la direction périphérique du registre
tournant (10).
10. Moteur à combustion interne selon la revendication 9, caractérisé en ce que la conduite d'évacuation (20) aboutit dans la conduite d'air de suralimentation (19), derrière le compresseur (5) du turbocompresseur entraîné par les gaz
d'échappement (3).
11. Moteur à combustion interne selon l'une des
revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'au registre de
réglage (10) est associé un entraînement de réglage (15)r pouvant être commandé par l'unité de commande (17), en particulier un entraînement électrique, pneumatique ou hydraulique.
12. Moteur à combustion interne selon l'une des
revendications 1 à 11, caractérisé en ce que dans l'unité
de commande (14) sont allouées des positions, déterminées préalablement, du registre tournant (10), pour chaque point de fonctionnement du moteur (1), ainsi que pour un
fonctionnement en frein moteur, assisté par la turbine.
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