FR2815079A1 - Moteur a combustion interne avec turbocompresseur a gaz d"echappement et turbine de recuperation compound - Google Patents

Moteur a combustion interne avec turbocompresseur a gaz d"echappement et turbine de recuperation compound Download PDF

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Abstract

Un moteur à combustion interne est équipé d'un turbocompresseur à gaz d'échappement (2) avec un compresseur (5) dans le circuit d'aspiration (6) et une turbine à gaz d'échappement (3) dans le circuit des gaz d'échappement (4), ainsi que d'une turbine de récupération compound (11) qui est couplée sur le vilebrequin du moteur à combustion interne (1).Un système de recyclage des gaz d'échappement (10) est prévu en amont de la turbine à gaz d'échappement (3). Le rapport de grandeurs entre la turbine à gaz d'échappement (3) et la turbine de récupération compound (11) est défini par l'intermédiaire de la capacité d'absorption de chaque turbine, dans lequel cas la capacité d'absorption maximale de la turbine de récupération compound (11) est supérieure à celle de la turbine à gaz d'échappement (3).

Description

L'invention se rapporte à un moteur à combustion interne avec
turbocompresseur à gaz d'échappement et turbine de récupération compound, qui est couplée sur le vilebrequin du moteur à combustion interne, dans lequel cas le turbocompresseur à gaz d'échappement comprend une turbine à gaz d'échappement dans le circuit des gaz d'échappement et un compresseur dans le circuit d'aspiration et la turbine de récupération compound est placée en aval de la turbine à gaz d'échappement, dans le
circuit de gaz d'échappement.
Un tel moteur à combustion interne est connu par le document DE 195 16 971 Al, selon lequel un turbocompresseur à gaz d'échappement, situé dans le circuit de gaz d'échappement du moteur à combustion interne, entraîne un compresseur situé dans le circuit d'aspiration, par l'intermédiaire d'un arbre, dans lequel cas, dans le circuit de gaz d'échappement une turbine de récupération compound couplée au vilebrequin du moteur par l'intermédiaire d'une transmission est prévue en aval de la turbine à gaz d'échappement. La turbine de récupération compound permet d'exploiter l'énergie résiduelle qui est encore présente dans les gaz d'échappement, après leur passage dans la turbine à gaz d'échappement et à la transmettre au vilebrequin du moteur, sous forme de couple d'entraînement positif ou de couple de freinage négatif. Ce montage en cascade d'une turbine à gaz d'échappement et d'une turbine de récupération compound améliore le degré
d'efficacité global.
Le moteur à combustion interne selon DE 195 16 971 A1 permet d'améliorer les performances d'entraînement et de freinage du moteur. Mais une diminution des émissions de NOx, qui peut être atteinte par exemple par l'intermédiaire d'un recyclage des gaz d'échappement n'est pas prévue et ne peut pas être réalisée par ailleurs, sans porter atteinte au degré d'efficacité, car la chute de pression provoquée par le recyclage des gaz en amont de la turbine à gaz d'échappement ne permet plus une absorption de puissance
significative dans la turbine de récupération compound.
Le document DE 195 16 971 Al ne propose aucun moyen de résoudre le conflit des objectifs entre la réduction des substances polluantes d'une part et un bon degré
d'efficacité du moteur d'autre part.
La tâche de l'invention consiste à trouver un moteur à combustion interne avec turbocompresseur à gaz d'échappement et turbine de récupération compound, qui se caractérise aussi bien par une faible émission de substances polluantes que par un bon degré d'efficacité, en mode d'entraînement par explosion et en mode de freinage moteur. Cette tâche est résolue par le fait que: un système de recyclage des gaz d'échappement réglable est situé en amont de la turbine à gaz d'échappement, entre le circuit des gaz d'échappements et le circuit d'aspiration pour définir le rapport de grandeurs entre la turbine à gaz d'échappement et la turbine de récupération compound, il faut définir la capacité d'absorption $ de chaque turbine, selon l'équation P avec capacité d'absorption m flux massique des gaz d'échappement dans la turbine T température à l'entrée de la turbine P pression à l'entrée de la turbine et la capacité d'absorption maximale *TC, max de la turbine de récupération compound dépasse la capacité d'absorption maximale 4ATL, max de la turbine à gaz d'échappement. Selon l'invention, la turbine à gaz d'échappement et la turbine de récupération compound ont un ordre de grandeur proportionnel, pour la définition duquel il faut d'abord déterminer la capacité d'absorption maximale de chaque turbine, à partir d'une relation connue, en fonction des flux massiques de gaz d'échappement à travers la turbine, de la racine carrée de la température à l'entrée de la turbine et de l'inverse de la pression à l'entrée de la turbine. La capacité d'absorption maximale sera déterminée aussi bien pour la turbine à gaz d'échappement que pour la turbine de récupération compound, dans lequel cas le rapport des grandeurs entre la turbine à gaz d'échappement et la turbine de récupération compound est défini de manière à ce que la capacité d'absorption maximale de la turbine de récupération compound dépasse la capacité d'absorption de la turbine à gaz d'échappement. Si les turbines sont conçues sous respect de cette règle dimensionnelle, une contre-pression plus importante des gaz d'échappement est atteinte entre la sortie du cylindre du moteur à combustion interne et la turbine à gaz d'échappement, laquelle contre- pression est nécessaire pour permettre un recyclage des gaz d'échappement et donc une
réduction de l'oxyde azotique dans les gaz d'échappement.
Si l'on respecte la règle de dimensionnement, la turbine de gaz d'échappement est assez petite pour aboutir à une accumulation suffisante des gaz d'échappement et à une contre-pression correspondante des gaz d'échappement, qui est absolument nécessaire pour le recyclage des gaz d'échappement. D'autre part, la turbine à gaz d'échappement peut être assez grande pour permettre de générer une pression d'admission élevée à l'entrée du cylindre du moteur à combustion interne, laquelle est nécessaire pour garantir
de hautes performances d'entraînement et de frein moteur.
Dans un perfectionnement préconisé, la capacité d'absorption maximale de la turbine à gaz d'échappement s'élève à environ 45 % à 55 % de la capacité d'absorption maximale de la turbine de récupération compound. Ce rapport de grandeurs apporte une solution optimale au conflit des objectifs qui seraient soit de créer un petit turbocompresseur à gaz d'échappement à une haute capacité d'accumulation ou un grand turbocompresseur à gaz
d'échappement à grande puissance de compression.
Parallèlement, le degré d'efficacité global du moteur à combustion interne est amélioré par le montage en aval de la turbine de récupération compound, car elle permet de transmettre directement au vilebrequin, soit un couple d'entraînement supplémentaire en mode d'entraînement par explosion soit un couple de freinage supplémentaire en
mode de freinage moteur.
Dans un perfectionnement préconisé, la turbine à gaz d'échappement est équipée d'une géométrie variable, permettant différents réglages de la section transversale effective de la turbine. La géométrie variable de la turbine permet de procéder à des réglages variables de la puissance, aussi bien en mode d'entraînement par explosion, qu'en mode de freinage moteur. En liaison avec le recyclage des gaz, la transformation de la géométrie variable de la turbine en une position d'accumulation qui optimise la section transversale effective de la turbine, permet d'atteindre une contre-pression des gaz d'échappement qui, à de nombreux régimes moteur est plus élevée que la pression d'admission, ce qui permet donc de recycler les gaz d'échappement. A cet effet, la détérioration des échanges de charges est compensée par la turbine de récupération compound, placée en aval, de ce fait, parallèlement à la diminution des émissions de NOx, le système de recyclage permet de maintenir, voire d'améliorer
le degré d'efficacité global.
La turbine de récupération compound est avantageusement conçue de façon à permettre une exploitation du moteur proche du degré d'efficacité optimal, dans les plages essentielles des diagrammes caractéristiques du moteur. A cet effet, l'indice de régime rapide de la turbine de récupération compound est judicieusement défini en tant que quotient de la vitesse périphérique à l'entrée de la roue de turbine et de la vitesse isentrope, qui à pleine charge du moteur se situe dans une plage de 0,55 à 0,60, dans lequel cas la vitesse isentrope désigne la vitesse théorique qui s'installe lorsque le gradient de la turbine est transformé en vitesse d'écoulement sans aucune perte. Avec ce dimensionnement, dans le cas d'une baisse du couple moteur et même si la position de la géométrie variable de la turbine n'a pas été modifiée, la turbine de récupération compound fonctionne dans la plage du degré d'efficacité optimal de la turbine de récupération compound, avec un indice de régime rapide de 0,70 environ. Si le couple moteur continue à baisser, l'indice de régime rapide de la turbine de récupération compound continue à augmenter au- delà de la valeur
optimale, à couple constant du moteur.
Si on utilise une géométrie variable dans la turbine à gaz d'échappement, la capacité d'absorption maximale de la turbine à gaz d'échappement peut être définie aussi bien lorsque la géométrie variable de la turbine est ouverte au maximum, que lorsque la géométrie variable de la turbine est en position d'accumulation et que la section
transversale effective de la turbine est au minimum.
Lorsque la géométrie de la turbine est ouverte au maximum, la capacité d'absorption maximale est avantageusement de l'ordre de 45 % à 55 % de la capacité d'absorption maximale de la turbine de récupération compound. En revanche, en position d'accumulation, il s'est avéré avantageux de fixer la capacité d'absorption maximale de la turbine de gaz d'échappement à au moins 10 % de la capacité maximale d'absorption de la turbine de récupération compound, pour atteindre une efficacité de freinage moteur significative, particulièrement dans la plage inférieure
des régimes moteur.
D'autres avantages et d'autres réalisations
judicieuses sont donnés dans les revendications suivantes,
dans les descriptions des figures et dans les dessins. Sont
montrés en: Fig. 1 une représentation schématique d'un moteur à combustion externe avec turbocompresseur à gaz d'échappement et turbine de récupération compound, Fig. 2 un diagramme des courbes de capacité d'absorption ou des capacités de débit, en fonction du gradient de pression, représenté pour la turbine de récupération compound et pour la turbine à gaz d'échappement. Fig. 3 un diagramme des courbes de couples moteur, en fonction du régime du moteur Fig. 4 un diagramme de la courbe du degré d'efficacité de la turbine de récupération compound, en fonction de
l'indice de régime rapide.
Au moteur à combustion interne 1 de la fig. 1 sont affectés un turbocompresseur à gaz d'échappement 3 dans le circuit des gaz d'échappement 4 et un compresseur 5, dans le circuit d'aspiration 6, dans lequel cas le compresseur 5 est entraîné par la turbine de gaz d'échappement 3, par l'intermédiaire d'un arbre 7. La turbine de gaz d'échappement 3 est équipée d'une géométrie variable, par exemple d'une grille de conduction, en particulier d'une grille de conduction radiale équipée d'aubes directrices réglables, dans lequel cas la géométrie variable de la turbine peut être réglée entre une position d'accumulation qui diminue la section transversale effective de la turbine et une position d'ouverture, qui libère au maximum la section transversale effective de la turbine, en fonction
des indices de régime du moteur.
Dans le circuit d'aspiration 6, un refroidisseur de charge 9 est placé en aval du compresseur. Par ailleurs un système de recyclage des gaz d'échappement 10, composé d'une section de conduite reliant le circuit de gaz d'échappement 4 et le circuit d'aspiration 6, en amont de la turbine à gaz d'échappement 3 ou en aval du refroidisseur de charge 9 est prévu, avec soupape de retour
réglable et refroidisseur.
Dans le circuit des gaz d'échappement 4 une turbine de récupération compound 11, traversée et entraînée par les gaz d'échappement est prévue en aval de la turbine à gaz d'échappement. La turbine de récupération compound 11 est reliée au vilebrequin du moteur, par l'intermédiaire d'un accouplement 12 et d'une transmission 13, dans lequel cas, l'accouplement peut être situé à l'avant ou à l'arrière de la transmission, ce qui permet à la turbine de récupération compound 11 de transmettre au vilebrequin aussi bien un couple d'entraînement moteur qu'un couple de freinage. Un filtre à suie 14 est situé en aval de la turbine de récupération compound 11, dans le sens d'écoulement des gaz
d'échappement.
Les éléments réglables, en particulier la soupape de retour du système de recyclage 10, la géométrie variable de la turbine 8 ainsi que l'accouplement 12, et la transmission 13, situés entre la turbine de récupération compound 11 et le vilebrequin du moteur peuvent être réglés, en fonction des indices d'état du moteur et des indices de régime, par l'intermédiaire d'une unité de
réglage et de commande 15.
En mode d'entraînement par explosion, l'air de combustion est aspiré à la pression environnante P1 et comprimé dans le compresseur 5 à une pression d'admission augmentée P25, puis il est conduit vers les entrées de cylindres du moteur à combustion interne. Sur le côté des gaz d'échappement, une contre-pression de gaz d'échappement P3 règne dans le circuit des gaz d'échappement, entre la sortie du cylindre et la turbine à gaz d'échappement, laquelle contre-pression de gaz d'échappement P3 est soumise à une détente pour atteindre la pression P4 dans la turbine à gaz d'échappement 3. En aval de la turbine à gaz d'échappement 3, le gaz d'échappement est ramené dans la turbine de récupération compound 11 avec cette pression P4 pour y subir une nouvelle détente à la pression résiduelle P5- Pour réduire les émissions d'oxyde azotique en mode d'entraînement par explosion, une contre-pression augmentée P3, qui est supérieure à la pression d'admission P dans le circuit de gaz d'échappement du moteur à combustion interne peut être réglée à certains régimes prédéfinis du moteur à combustion interne, grâce au réglage correspondant de la géométrie variable de la turbine, ainsi un gradient de pression qui sera utilisé pour le recyclage des gaz d'échappement est généré entre le circuit des gaz d'échappement 4 et le circuit d'aspiration 6. Parallèlement au réglage d'un gradient de pression qui favorise le recyclage des gaz d'échappement, la géométrie variable 8 est également utilisée pour régler la puissance d'entraînement positive en mode d'entraînement par explosion et la puissance de freinage négative en mode de
freinage moteur.
Le diagramme selon la fig. 2 représente la courbe de capacité de débit ou de capacité d'absorption de la turbine de récupération compound 11 et de la turbine des gaz d'échappement 3, en fonction du rapport de pression n, lequel est défini par la pression d'entrée, par rapport à la pression de sortie à la turbine. La capacité d'absorption est définie selon la relation P dans lequel cas, m est le flux massique des gaz d'échappement, à travers la turbine correspondante, T est la température à l'entrée de la turbine et P est la pression, également à l'entrée de la turbine. De ce fait, la capacité d'absorption ^ATL de la turbine des gaz d'échappement 3 dépend du flux massique des gaz d'échappement m à travers le circuit des gaz d'échappement, de la température d'admission dans la turbine T3 et de la contre-pression des gaz d'échappement P3, et la capacité d'absorption (TC) de la turbine de récupération compound dépend du flux massique des gaz d'échappement m à travers le circuit des gaz d'échappement, de la température d'admission dans la turbine T4 et de la pression des gaz
d'échappement P4.
Pour un dimensionnement optimal, la capacité d'absorption maximale 4ATL, max de la turbine des gaz d'échappement, dont la géométrie variable est en position ouverte (caractérisée en fig. 2 par " ouverte ") se situe particulièrement à 50 % environ de la capacité maximale
d'absorption $TC, max de la turbine de récupération compound.
La capacité d'absorption maximale $TC, max OU $ATL, max est définie dans la zone d'accumulation des courbes de capacité
d'absorption.
Une valeur minimale de la capacité d'absorption maximale $ATL, max de la turbine à gaz d'échappement, dont la géométrie variable est en position d'accumulation (caractérisée par " fermé " dans la fig. 2) peut être
donnée sous forme d'une règle de conception supplémentaire.
Dans ce réglage, la capacité maximale d'absorption *ATL, max de la turbine à gaz d'échappement doit correspondre au moins à 10 % de la capacité d'absorption maximale TC, max de la turbine de récupération compound. La plage située entre 10 % et 25 % de la capacité maximale d'absorption *ATL, max de la turbine à gaz d'échappement 3, par rapport à la capacité maximale d'absorption TC, max de la turbine de récupération compound 11 est particulièrement bien adaptée pour le mode freinage moteur, alors que la plage située entre 25 % et 50 % est
utilisée pour le mode d'entraînement par explosion.
Le diagramme selon la fig. 3 représente différentes courbes du couple moteur Mmot, en fonction du régime du moteur. Une courbe supérieure Mmot, plein caractérise la courbe maximale du couple moteur, à pleine charge. Sous la courbe à pleine charge figure la courbe du couple moteur Mmot, part pour un fonctionnement du moteur à combustion interne sous charge partielle. Un indice de régime rapide U/Co, défini en tant que quotient de la vitesse périphérique U de la roue de turbine dans le secteur d'admission de la roue de la turbine et de la vitesse isentrope Co, lequel indice correspond à la vitesse théorique qui se règle lorsque le gradient de la turbine est transformé sans perte en vitesse
d'écoulement, est affecté à chaque courbe de couple moteur.
L'indice de régime rapide U/Co peut être représenté pour chaque turbine. Dans une conception optimisée, l'indice de régime rapide U/Co de la turbine de récupération compound 11 se situe à une valeur de 0,55 à 0,60, à pleine charge du moteur. Cette valeur de régime rapide est atteinte par la turbine de récupération compound 11 pour la courbe de couple moteur représentée, sous pleine charge Mmot, plein. Lors d'une baisse du couple moteur, qui part, par exemple de la pleine charge pour atteindre la courbe de couple moteur située juste au-dessous, sous une charge partielle Mmot, part, l'indice de régime rapide de la turbine de récupération compound augmente d'abord jusqu'à une valeur optimale U/Co opt, qui correspond à environ 0,7. Pour un indice de régime rapide optimal U/Co opt = 0,7, le degré d'efficacité r de la turbine de récupération compound 11 atteint un maximum, tel que représenté sur la fig. 4. Au-dessus de l'indice de régime rapide optimal U/C0 opt (en fig. 3, il s'agit de la plage située au-dessous de la courbe des couples moteur sous charge partielle Mmot, part) le degré d'efficacité de la turbine n diminue; il en est de même pour les indices de régime rapide, qui sont inférieurs à l'indice optimal de régime rapide (u/Co) opt (en fig. 3, il s'agit de la plage située entre les courbes de couples moteur Mmot, plein et Mmot,
part) -
Lorsque la turbine de récupération compound 11 est dimensionnée pour un indice de régime rapide U/Co d'environ 0,55 à 0,60, sous une pleine charge du moteur, la plage de 0,55 à 0,8 environ représentée en fig. 4, qui est caractérisée par un haut degré d'efficacité q de la turbine
est mise à disposition sur une importante plage de charges.
L'indice de régime rapide U/Co peut être réglé à une valeur supérieure à 1,0, ce qui permet d'obtenir des valeurs d'efficacité négatives sur la turbine de récupération compound. Pour être en mesure de générer un couple de freinage dans la turbine de récupération compound 11 en mode de freinage moteur, un degré d'efficacité q négatif doit être atteint sur la turbine de récupération compound 11. Dans le diagramme selon la fig. 4, cette plage est caractérisée par le point d'intersection entre la courbe des degrés d'efficacité et l'abscisse, qui caractérise l'indice de régime de freinage rapide (U/C0) Fr et par tous les indices de régime rapide situés au-dessus. L'indice de freinage
rapide (U/C0) Fr est situé par exemple à une valeur de 1,1.
Dans cette plage de freinage, un couple de freinage est généré dans la turbine de récupération compound 11, et ce couple peut être généré par exemple par le fait que, suite à un rétrécissement de la section transversale effective de la turbine de gaz d'échappement 3, consécutivement à un réglage correspondant de la géométrie variable 8 de ladite turbine, la contre-pression des gaz d'échappement est augmentée en amont de la turbine et la contre-pression des gaz qui s'échappent en aval de la turbine et qui sont conduits vers la turbine de récupération compound 11 est diminuée. Il en résulte de basses vitesses isentropes C0 sur la turbine de récupération compound 11, qui décalent l'indice de régime rapide de la turbine de récupération compound vers des valeurs plus élevées. D'importantes vitesses périphériques U et des basses vitesses isentropes Co à l'intérieur de la turbine de récupération compound 8 génèrent un faux écoulement particulièrement élevé, qui provoque un choc en retour à l'entrée des aubes de la roue,
avec une impulsion de freinage sur la roue.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Moteur à combustion interne équipé d'un turbocompresseur à gaz d'échappement et d'une turbine de récupération compound, qui est couplée sur le vilebrequin du moteur à combustion interne (1), dans lequel cas le turbocompresseur à gaz d'échappement (2) comprend une turbine à gaz d'échappement (3) dans le circuit des gaz d'échappement (4) et un compresseur (5) dans le circuit d'aspiration (6) et la turbine de récupération compound (11) est placée en aval de la turbine à gaz d'échappement (3), dans le circuit de gaz d'échappement (4), caractérisé en ce que un système de recyclage des gaz d'échappement réglable (10) est situé en amont de la turbine à gaz d'échappement (3), entre le circuit des gaz d'échappements (4) et le circuit d'aspiration (6) pour définir le rapport de grandeurs entre la turbine à gaz d'échappement (3) et la turbine de récupération compound (11), il faut définir la capacité d'absorption () de chaque turbine (3, 11), selon l'équation p P avec les indices suivants capacité d'absorption m flux massique des gaz d'échappement dans la turbine T température à l'entrée de la turbine P pression à l'entrée de la turbine et la capacité d'absorption maximale (PTc, max) de la turbine de récupération compound (11) dépasse la capacité d'absorption maximale ($ATL, max) de la turbine à gaz d'échappement.
2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité d'absorption maximale ($ATL, max) de la turbine à gaz d'échappement (3) se situe entre 45 % et 55 % de la capacité d'absorption maximale (y TC, max) de la turbine de
récupération compound (11).
3. Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la turbine à gaz d'échappement (3) est équipée d'une géométrie variable (8) pour le réglage de la section transversale effective de
la turbine.
4. Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que la capacité d'absorption maximale ($ATL, max) de la turbine à gaz d'échappement (3) se situe entre 45% et 55 % de la capacité d'absorption maximale (< TC, max) de la turbine de récupération compound (11,) lorsque
la géométrie variable de la turbine (8) est ouverte.
5. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque
des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la
capacité d'absorption maximale (4ATL, max) de la turbine à gaz d'échappement (3) correspond au moins à 10 % de la capacité d'absorption maximale (< TC, max) de la turbine de récupération compound (3), lorsque la géométrie variable de
la turbine (8) est en position d'accumulation.
6. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque
des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la turbine
de récupération compound est dimensionnée de manière à ce qu'un indice de régime rapide (U/C0) de la turbine de récupération compound (11), défini en tant que quotient de la vitesse périphérique (U) à l'entrée de la roue de la turbine et de la vitesse isentrope (Co), prend une valeur
située entre 0,55 et 0,60, à pleine charge du moteur.
7. Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'indice de régime rapide (U/C0) peut être réglé à une valeur supérieure à 1,0, ce qui permet d'obtenir des valeurs d'efficacité négatives sur la
turbine de récupération compound (11).
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