FR2844552A1 - Moteur suralimente comportant une turbine multi-volutes - Google Patents
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Abstract
Un moteur est suralimenté par un turbocompresseur (2) comportant une turbine (22) à entrées multiples, des conduits (71, 72, 73, 74) pour transférer dans la turbine les gaz d'échappement provenant des cylindres (11, 12, 13, 14). Chaque cylindre est relié à une volute spécifique par un conduit. Des vannes (91, 92, 93) réparties en deux groupes relient sur commande deux conduits juxtaposés. Le degré d'ouverture des vannes est commandé pour répartir les courants de gaz d'échappement entre autant de courants que de cylindres, et un seul courant selon le point de fonctionnement du moteur.
Description
Moteur suralimenté comportant une turbine multivolutes.
L'invention concerne un moteur suralimenté par turbocompresseur ayant un couple optimisé à bas régime. Les moteurs suralimentés par turbocompresseur 5 utilisent l'énergie fournie par les gaz d'échappement pour faire tourner une turbine. Cette turbine entraîne un compresseur qui comprime l'air alimentant le moteur pour obtenir un gain de couple et de puissance, en comparaison avec un moteur 10 atmosphérique. Cependant, ces moteurs ont souvent le défaut de fournir un couple relativement faible à bas régime, après un fonctionnement à faible charge. En effet, à faible charge et bas régime, la turbine reçoit peu d'énergie et sa vitesse de rotation est 15 faible, ce qui ne permet pas de comprimer l'air d'alimentation. Lors d'une demande de puissance à partir de ce point de fonctionnement, on observe une phase transitoire pendant laquelle la vitesse de rotation de la turbine augmente progressivement. 20 Pendant toute cette phase transitoire, la vitesse de rotation de la turbine n'est pas encore suffisante pour obtenir une compression significative de l'air, ce qui ne permet pas le remplissage maximal des cylindres du moteur en air d'alimentation. De ce 25 fait, la quantité de carburant qu'il est possible de brler n'est pas maximale et le couple fourni par le moteur n'est pas non plus maximal. De plus, la quantité de gaz d'échappement, et donc l'énergie récupérable par la turbine, n'est pas encore
maximale, du fait de la moindre quantité d'air admis.
Il a été proposé un moteur suralimenté avec un turbocompresseur de dimensions réduites. Ainsi, l'inertie en rotation de la turbine est plus faible 5 et sa charge pour entraîner le compresseur est également plus faible. Ainsi, le turbocompresseur atteint plus rapidement un régime de rotation efficace, ce qui diminue la durée de la phase transitoire pour atteindre un couple satisfaisant. 10 Pour éviter par contre que la turbine ne crée un étranglement pour l'évacuation des gaz d'échappement à haut régime du moteur, il est prévu une voie d'échappement en parallèle avec la turbine, obturée sur commande par une vanne pour créer un flux de gaz 15 d'échappement à haut régime. Cette voie supplémentaire d'échappement est également connue sous le nom anglais de " waste gate ". Cependant, le
taux de suralimentation est limité pour ce moteur.
On connaît également par le document US 20 3.423.926 un turbocompresseur dont la volute de la turbine est divisée en deux pour recevoir le flux de gaz d'échappement d'une partie des cylindres dans l'une des demi-volutes, et de l'autre partie des cylindres dans l'autre demi-volute. De plus, un volet 25 met en communication sur commande les entrées des deux demivolutes. L'effet recherché est d'obtenir, quand le moteur fonctionne à bas régime, des bouffées de gaz d'échappement arrivant à la turbine avec un débit instantané important pour faire fonctionner la 30 turbine à un point de fonctionnement o son rendement est élevé. Ainsi, avec le volet fermé, la turbine conserve une vitesse de rotation plus importante que dans le cas d'une volute simple. A haut régime, le volet à l'entrée de la volute est ouvert pour que les bouffées de gaz d'échappement soit plus étalées dans le temps et que la turbine ne soit pas un goulet 5 d'étranglement pour l'écoulement des gaz d'échappement. Cette utilisation des bouffées de gaz d'échappement a également été développée dans le document FR 2 805 851. Dans ce document, il est proposé un moteur suralimenté par une turbine à entrées multiples (turbine multi-volutes), les bouffées étant dirigées par des conduits et des moyens de répartition selon un premier nombre de courants vers la turbine lorsque le moteur tourne à 15 faible charge, et selon un nombre inférieur de courants lorsque le moteur tourne à charge plus élevée. L'inventeur propose d'améliorer encore les moteurs utilisant ces turbines multi-volutes. C'est 20 donc un objectif de l'invention de fournir un moteur suralimenté ayant une phase transitoire réduite après un fonctionnement à faible charge et bas régime, et
fournissant rapidement un couple important.
L'invention a donc pour objet un moteur 25 suralimenté comportant des cylindres, au moins un turbocompresseur comportant une turbine à entrées multiples, des conduits pour transférer dans la turbine les gaz d'échappement provenant des cylindres, et des moyens de répartition situés en 30 amont des entrées multiples, pour séparer les gaz d'échappement en courants déterminés distincts à bas régime et réunir les gaz en un seul courant à haut régime, caractérisé en ce que chaque cylindre est relié à une entrée spécifique par un conduit, et en ce que les moyens de répartition comportent des vannes réparties en au moins deux groupes, chacune 5 des vannes reliant sur commande deux conduits juxtaposés, en ce que le moteur comporte des moyens de commande qui imposent le degré d'ouverture des vannes en fonction du point de fonctionnement du moteur, de telle sorte que, lors d'une demande 10 importante de couple à partir d'un point de fonctionnement à bas régime, les vannes sont toutes fermées et les gaz d'échappement sont séparés en autant de courants que le nombre de cylindres, puis, en fonction de l'augmentation de la vitesse de 15 rotation du moteur, les vannes du premier groupe s'ouvrent progressivement jusqu'à leur ouverture complète pour séparer les gaz d'échappement en un nombre prédéterminé de courants, puis les vannes des groupes suivants successifs s'ouvrent progressivement, groupe après groupe, jusqu'à l'ouverture complète de toutes les vannes pour que les gaz d'échappement se retrouvent dans un seul courant. Grâce à l'invention, il est possible 25 d'exploiter au mieux le gain d'efficacité de la turbine à bas régime, tout en préservant la capacité de fonctionner à haut régime. En effet, à bas régime, les bouffées de gaz d'échappement issues de chaque cylindre sont dirigées intégralement et individuellement vers la turbine, garantissant ainsi son efficacité maximale. Ensuite, la manoeuvre progressive des vannes du premier groupe permet d'ajuster le mélange de bouffées en regroupant certains conduits. Par exemple, des conduits peuvent etre reliés par deux. Le gain de vitesse de rotation de la turbine est ainsi progressivement ajusté sans évolution brusque lors de la montée en régime du moteur. Dans un mode de réalisation particulier, le moteur comporte quatre cylindres et la turbine
comporte quatre entrées.
Dans ce mode de réalisation, une première vanne 10 relie un premier et un deuxième conduit, une deuxième vanne relie le deuxième et un troisième conduit, et une troisième vanne relie le troisième à un quatrième conduit, la première et la troisième vanne faisant partie du premier groupe, tandis que la deuxième 15 vanne fait partie du deuxième groupe. Ainsi, lors de
la montée en régime, les conduits sont couplés deux à deux dans une première phase pour que les gaz forment deux courants, puis tous couplés dans une deuxième phase pour que les gaz ne forment qu'un seul courant.
Dans une première variante de ce mode de
réalisation, le moteur comporte quatre cylindres et deux turbines à deux entrées, les turbines étant reliées par le même arbre de compresseur. Il est ainsi possible d'utiliser des turbines à doubles 25 entrées qui existent déjà sur le marché.
Dans une deuxième variante de ce mode de réalisation, le moteur comporte quatre cylindres et deux turbocompresseurs à deux entrées, chaque turbocompresseur alimentant deux cylindres. Il est 30 ainsi possible d'utiliser des turbocompresseurs comportant une turbine à doubles entrées qui existent
déjà sur le marché.
L'invention sera mieux comprise et d'autres
particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description 5 faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels
- la figure 1 est une vue schématique d'un moteur suralimenté par un turbocompresseur selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue d'un turbocompresseur à entrées multiples; - la figure 3 est une vue similaire à la figure 1 d'une première variante de l'invention; la figure 4 est une vue similaire à la figure 1 15 d'une deuxième variante de l'invention; - la figure 5 est un diagramme temporel de la pression à l'entrée de la turbine, le moteur tournant à 1200 tr/min;
- la figure 6 est un diagramme temporel similaire à 20 la figure 5, le moteur tournant à 1400 tr/min.
Le moteur schématisé sur la figure 1 comporte un bloc moteur 1, un turbocompresseur 2 et un radiateur 3. Le bloc moteur 1 comporte quatre cylindres 11, 12, 13, 14 dans lesquels quatre 25 pistons, non représentés, coulissent de manière classique. Le turbocompresseur 2 comporte un compresseur 21 qui peut comprimer de l'air admis par un conduit d'entrée 4 et le refouler par une tubulure de refoulement 5. La tubulure de refoulement 5 est 30 reliée au radiateur 3. Une tubulure d'admission 6 relie le radiateur 3 à chacun des cylindres. Une tubulure d'échappement 7 relie les cylindres aux entrées d'une turbine 22 du turbocompresseur 2. Un conduit d'échappement 8 est issu de la turbine pour 5 conduire de manière classique des gaz d'échappement vers un pot catalytique et un pot de détente, non représentés. Comme on le voit spécialement sur la figure 2, la turbine 21 comporte quatre entrées 221, 222, 223, 10 224 qui se prolongent par quatre volutes 225, 226, 227, 228 s'enroulant autour d'une roue 23 de turbine 21. Le premier cylindre 11 est relié à la première entrée 221 par un premier conduit 71. De même, le deuxième 12, respectivement troisième 13 et quatrième 15 14 cylindre, est relié à la deuxième 222, respectivement troisième 223 et quatrième 224 entrée, par un deuxième 72, respectivement troisième 73 et
quatrième 74 conduit.
Une première vanne 91 relie sur commande le 20 premier 71 et le deuxième conduit 72. De même, une deuxième vanne 92 relie sur commande le deuxième 72 et le troisième conduit 73, et une troisième vanne 93 relie sur commande le troisième conduit 73 et le quatrième conduit 74. Les vannes 91, 92, 93 sont à 25 ouverture progressive. Leur technologie est par exemple celle des vannes de " waste gate ", ou celle
montrée par le document FR 2 805 851.
Lorsqu'une demande de puissance parvient au moteur alors que ce dernier tourne à bas régime, par 30 exemple à moins de 1200 tr/min (min'), toutes les
vannes sont commandées pour qu'elles se ferment.
Ainsi, chaque bouffée de gaz d'échappement issue d'un cylindre arrive par l'un des conduits à l'une des
entrées de la turbine 22.
Le diagramme de la figure 5 montre la pression en amont de la turbine 22 à l'une des entrées lorsque 5 le moteur tourne à 1200 tr/min. Une première courbe de pression 50 montre l'évolution de la pression au cours d'un cycle moteur, quand le vilebrequin parcourt deux tours. La courbe 50 comporte un pic 51 à un niveau de pression important, ce qui permet à la 10 turbine de recevoir une quantité d'énergie importante. Une courbe de référence 52 illustre le niveau de pression qui serait obtenu en entrée d'une turbine avec volute simple. Cette courbe comporte quatre pics de pression 53 correspondant aux phases 15 successives d'échappement des quatre cylindres. On constate que le niveau maximal de pression est beaucoup plus faible que dans le cas de l'invention,
avec un turbine à entrées multiples.
Au-delà de 1200 tr/min, la première 91 et la 20 troisième vanne 93 sont commandées pour amorcer leur ouverture. Ainsi, les flux de gaz d'échappement issus du premier 11 et du deuxième cylindre 12 sont mélangés et se répartissent sur deux entrées 221, 222. De même, les flux de gaz d'échappement issus du 25 troisième 13 et du quatrième cylindre 14 sont mélangés et se répartissent sur deux entrées 223, 224. La pression avant la turbine reste à un niveau élevé, ce qui permet l'efficacité de la turbine 22, sans devenir excessive, ce qui perturberait 30 l'échappement des gaz à la sortie des cylindres à cause d'une contre pression. L'ouverture complète est
par exemple atteinte à 1300 tr/min.
Dès 1400 tr/min, la première 91 et la troisième vanne 93 sont complètement ouvertes et l'ouverture de la deuxième vanne est amorcée. Les deux courants de gaz, issus des cylindres 11, 12 d'une part et des 5 cylindres 13, 14 d'autre part sont ainsi
partiellement mélangés.
Le diagramme de la figure 6 montre la pression en amont de la turbine 22 à l'une des entrées lorsque le moteur tourne à 1400 tr/min, et l'ouverture de la 10 deuxième vanne est amorcée. Une deuxième courbe de pression 60 montre l'évolution de la pression au cours d'un cycle moteur, quand le vilebrequin parcourt deux tours. La deuxième courbe 60 comporte deux pic 61 à un niveau de pression important, ce qui 15 permet à la turbine de recevoir une quantité d'énergie conséquente. Une courbe de référence 62 illustre le niveau de pression qui serait obtenu en entrée d'une turbine avec volute simple. Cette courbe de référence 62 comporte quatre pics de pression 63 20 correspondant aux phases successives d'échappement des quatre cylindres. On constate ici encore que le niveau maximal de pression est beaucoup plus faible
que dans le cas de l'invention.
A delà de 1800 tr/min, les trois vannes sont 25 complètement ouvertes. Le moteur selon l'invention se comporte alors de la même manière qu'un moteur avec une turbine à volute simple. En effet, les flux de gaz se répartissent sur les quatre entrées de la
turbine 22.
Le tableau 1 permet de comparer le moteur selon
l'invention à un moteur de référence, équipé d'une turbine à volute simple, en particulier à bas régime.
Régime Pression moyenne Pression délivrée par Gain de moteur avant turbine le compresseur couple tr/min Référence Invention Référence Invention 1200 1,35 bar 2,42 bar 1,22 bar 2,61 bar 112% 1400 1,78 bar 2, 41 bar 1,47 bar 2,1 bar 40%
Tableau 1.
On constate que le gain de couple délivré par le moteur est particulièrement significatif à bas régime. La figure 3 montre une première variante de l'invention dans laquelle le turbocompresseur comporte deux turbines à double entrée 22a, 22b, montées sur le même arbre d'entraînement du 10 compresseur. Le fonctionnement de cette variante est
identique à la description précédente.
La figure 4 montre une deuxième variante de l'invention dans laquelle deux turbocompresseurs 2a, 2b sont utilisés, la turbine de chaque 15 turbocompresseur comportant deux entrées. Dans cette configuration, l'air comprimé par un compresseur est
distribué à deux cylindres.
L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit uniquement à 20 titre d'exemple. Les enseignements de l'invention pourront aussi s'appliquer à des moteurs à trois, cinq six ou huit cylindres. Par ailleurs, les turbines pourront être équipés de vannes de décharge
appelées " waste gate ".
1l
Claims (5)
1. Moteur suralimenté comportant des cylindres (11, 12, 13, 14), au moins un turbocompresseur (2) comportant une turbine (22) à entrées multiples, des conduits (71, 72, 73, 74) pour 5 transférer dans la turbine les gaz d'échappement provenant des cylindres, et des moyens de répartition situés en amont des entrées multiples, pour séparer les gaz d'échappement en courants déterminés distincts à bas régime et réunir les gaz en un seul 10 courant à haut régime, caractérisé en ce que chaque cylindre (11, 12, 13, 14) est relié à une entrée (221, 222, 223, 224) spécifique par un conduit (71, 72, 73, 74), et en ce que les moyens de répartition comportent des vannes (91, 92, 93) réparties en au 15 moins deux groupes, chacune des vannes reliant sur commande deux conduits juxtaposés, en ce que le moteur comporte des moyens de commande qui imposent le degré d'ouverture des vannes (91, 92, 93) en fonction du point de fonctionnement du moteur, de 20 telle sorte que, lors d'une demande importante de couple à partir d'un point de fonctionnement à bas régime, les vannes (91, 92, 93) sont toutes fermées et les gaz d'échappement sont séparés en autant de courants que le nombre de cylindres, puis, en 25 fonction de l'augmentation de la vitesse de rotation du moteur, les vannes (91, 93) du premier groupe s'ouvrent progressivement jusqu'à leur ouverture complète pour séparer les gaz d'échappement en un nombre prédéterminé de courants, puis les vannes (92) 30 des groupes suivants successifs s'ouvrent progressivement, groupe après groupe, jusqu'à l'ouverture complète de toutes les vannes pour que les gaz d'échappement se retrouvent dans un seul courant.
2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte quatre cylindres (11, 12, 13, 14) et la turbine comporte quatre
entrées (221, 222, 223, 224).
3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une première vanne (91) relie un premier (71) et un deuxième conduit (72), une deuxième vanne (92) relie le deuxième (72) et un troisième conduit (73), et une troisième vanne (93) relie le troisième (73) à un quatrième conduit (74), 15 la première (91) et la troisième vanne (93) faisant partie du premier groupe, tandis que la deuxième
vanne (92) fait partie du deuxième groupe.
4. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte quatre cylindres 20 (11, 12, 13, 14) et deux turbines (22a, 22b) à deux entrées, les turbines étant reliées par le même arbre
de compresseur.
5. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte quatre cylindres 25 (11, 12, 13, 14) et deux turbocompresseurs (2a, 2b) à deux entrées, chaque turbocompresseur alimentant deux
cylindres (11, 12; 13, 14).
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