WO2008122725A1 - Systeme de suralimentation a double etage pour moteur a combustion interne - Google Patents

Systeme de suralimentation a double etage pour moteur a combustion interne Download PDF

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parallel
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Laurent Doleac
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Renault S.A.S
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
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Definitions

  • the invention relates to a twin-stage turbocharger system for an internal combustion engine, which operates continuously in a two-turbo mode and whose two turbines of the high-pressure and low-pressure turbocharger devices continuously switch from the series mode of operation to the mode of operation. parallel operation. It also relates to a method of implementing such a system.
  • the object of the invention is to provide a double-stage supercharging system for an internal combustion engine that operates in a two-turbo mode, with a continuous transition from the serial mode to the parallel mode and aims and vice versa.
  • a first object of the invention is a double stage supercharging system for an internal combustion engine, comprising a high pressure turbocharger, with a high pressure turbine intended to receive a first flow of engine exhaust gas, a low pressure turbocharger whose low pressure turbine, intended to receive a second flow of exhaust gas is downstream of the high pressure turbine, characterized in that it comprises: a controllable one-way valve placed in the downstream exhaust circuit of the high-pressure turbine,
  • a two-way valve placed in the exhaust gas circuit of the engine upstream of the low pressure turbine and downstream of the high pressure turbine, controllable between two extreme positions permitting the operation of the turbines in series mode and in parallel alternately, these two valves being controllable by an electronic central unit embedded in the vehicle.
  • a second object of the invention is a double stage supercharging system for an internal combustion engine, comprising a high pressure turbocharger, with a high pressure turbine intended to receive a first flow of engine exhaust gas, a low pressure turbocharger whose low pressure turbine, intended to receive a second flow of exhaust gas is downstream of the high pressure turbine, characterized in that it comprises: - a controllable one-way valve placed in the upstream circuit of admission of the exhaust gases of the low pressure turbine, gas coming directly from the engine manifold,
  • a two-way valve placed in the exhaust gas circuit of the engine downstream of the high pressure turbine and upstream of the low pressure turbine, controllable between two extreme positions permitting the operation of the turbines in series mode and in parallel alternately, these two valves being controllable by an electronic central unit embedded in the vehicle.
  • the supercharging system further comprises a discharge valve in a branch of the low pressure turbine, between its upstream gas intake circuit and its downstream exhaust circuit of said gases.
  • the supercharging system comprises on the one hand a turbocollector integrating the engine exhaust manifold, the high pressure turbine and the one-way valve between the manifold and the upstream gas intake circuit of the engine. low pressure turbine, and secondly the low pressure turbine and the two-way valve placed downstream of the high pressure turbine and upstream of the low pressure turbine ensuring the alternative operating modes of the two turbines in series and in parallel.
  • Another object of the invention is a method for controlling a double stage supercharging system for an internal combustion engine according to the first object of the invention, characterized in that, depending on the mode of operation of the two turbines in series and in parallel:
  • the one-way valve is controlled in the closed position and the two-way valve is controlled in the series position, thus forcing the exhaust gases from the engine exhaust manifold to pass through the high pressure turbine and then by the low pressure turbine, the regulation of the boost pressure being obtained by controlling the position of the two-way valve C 2 ,
  • the positions of the two valves are controlled simultaneously, - in parallel mode, the two-way valve is controlled in parallel position and the regulation of the boost pressure is obtained by controlling the position of the one-way valve.
  • the one-way valve is controlled in the closed position and the two-way valve is controlled in the series position, thus forcing the exhaust gases from the engine exhaust manifold to pass through the high pressure turbine and then by the low pressure turbine, the regulation of the boost pressure being obtained by controlling the position of the two-way valve,
  • the positions of the two valves are controlled simultaneously, - in parallel mode, the one-way valve is controlled at the total opening and the regulation of the pressure of Engine boost is achieved by controlling the position of the two-way valve.
  • Another object of the invention is a method for controlling a double-stage supercharging system for an internal combustion engine according to the second subject of the invention, characterized in that, depending on the operating mode of the two turbines in series and in parallel:
  • the one-way valve is controlled in the closed position and the two-way valve is controlled in the series position, thus forcing the exhaust gases from the engine exhaust manifold to pass through the high pressure turbine and then by the low pressure turbine, the regulation of the boost pressure being obtained by controlling the position of the one-way valve, during the transition between the series and parallel operating modes of the two turbines, the positions of the two valves are simultaneously controlled to regulate the boost pressure,
  • the two-way valve is controlled in parallel position and the regulation of the boost pressure is obtained by controlling the position of the one-way valve.
  • the one-way valve is controlled in the closed position and the two-way valve is controlled in the series position, thus forcing the exhaust gases from the engine exhaust manifold to pass through the high pressure turbine and then by the low pressure turbine, the regulation of the boost pressure being obtained by controlling the position of the two-way valve,
  • the one-way valve is controlled at full opening and the regulation of the engine boost pressure is obtained by controlling the position of the two-way valve.
  • FIG. 1 an example of architecture of the system according to a first configuration
  • FIGS. 2a to 2e the positions of the valves of the system in series mode, during the transition between the serial and parallel modes, and in parallel mode respectively, according to the first configuration
  • FIGS. 3a to 3e the positions of the valves of the system in series mode, during the transition between the serial and parallel modes, and in parallel mode respectively, according to a second configuration
  • FIG. 4 a variant of the system architecture according to the first configuration, with a bypass of the low pressure turbine
  • FIGS. 5a to 5d the positions of the valves of the system in series mode, during the transition between the serial and parallel modes, and in parallel mode respectively, according to the first configuration with a bypass of the low pressure turbine
  • FIGS. 6a to 6d the positions of the valves of the system in series mode, during the transition between the serial and parallel modes, and in parallel mode respectively, according to the second configuration with a bypass of the low-pressure turbine
  • FIG. an example of a detailed architecture of the system according to the second configuration
  • FIGS. 8a to 8e the positions of the valves of the system in serial mode, during the transition between the serial and parallel modes, and in parallel mode respectively, according to the preceding architecture.
  • turbochargers for compressing the air entering the engine M, a so-called turbocharger pressure and the other said of low pressure, constituted each of a compressor C H p, respectively C B p, driven by a turbine T HP , respectively T B p, itself driven by the exhaust gas leaving the engine M by the exhaust manifold C eCh -
  • the two compressors operate constantly in series and the two turbines are placed alternately in series or in parallel.
  • Each turbine, or both, may be of variable geometry type.
  • the system also comprises two control valves, one Ci with one channel and the other C 2 with two channels, arranged in two different configurations, controllable by a central control unit.
  • the one-way valve Ci is placed in the exhaust circuit E HP of the high-pressure turbine T H p
  • the two-way valve C 2 is placed in the engine exhaust circuit C eCh upstream of the low pressure turbine T BP and downstream of the high pressure turbine T H p, controllable between two extreme positions allowing the operation of the turbines in series mode and in parallel mode alternately .
  • the one-way valve Ci is controlled in the closed position, as shown in FIG. 2a, and the two-way valve C 2 is controlled in the series position, thereby forcing the gases exhaust from the exhaust manifold of the engine to pass through the high pressure turbine T HP and then the low pressure turbine T BP .
  • the regulation of the boost pressure in the intake manifold of the engine is obtained by controlling the position of the two-way valve C 2 , allowing a part of the exhaust gas coming from the manifold C eCh to pass through the high turbine pressure, as shown in Figure 2b.
  • the two-way valve C 2 is controlled in parallel position so that the gases exhaust simultaneously pass through the two turbines T HP and T BP and the regulation of the boost pressure is obtained by controlling the position of the valve Ci one way, according to a first variant, reducing the flow rate through the turbine high pressure.
  • the one-way valve Ci is controlled at full opening and the regulation of the engine boost pressure is obtained by controlling the position of the two-way valve C 2. which regulates the discharge rate of the low pressure turbine.
  • the one-way valve Ci is placed in the upstream intake circuit of the exhaust gases of the low pressure turbine T BP , gas coming directly from the engine manifold C eCh , and the two-way valve C 2 is placed in the exhaust system E H p of the engine gases upstream of the low pressure turbine T BP and downstream of the high pressure turbine T H p. It is controllable between two extreme positions allowing the operation of the turbines in series mode and in parallel mode alternately.
  • the one-way valve C1 is controlled in the closed position and the two-way valve C 2 is controlled in the series position (FIG. 3a) thus forcing the exhaust gases from the engine exhaust manifold M to pass through. by the high pressure turbine T H p and then by the low pressure turbine T B p.
  • the regulation of the supercharging pressure P s is obtained by controlling the position of the one-way valve Ci, allowing a portion of the gases coming from the collector C eCh to pass directly through the low-pressure turbine T BP (FIG. 3b).
  • the two-way valve C 2 In parallel mode (FIG. 3d), the two-way valve C 2 is controlled in parallel position so that the exhaust gases pass simultaneously through the two high and low pressure turbines, and the regulation of the boost pressure is obtained by control of the position of the one-way valve Ci in upstream of the low pressure turbine T BP , which regulates the flow of gases in the low pressure turbine.
  • the amount of exhaust gas from the engine passing into the low pressure turbine is larger than in the case of the first configuration, which improves regulation. Indeed, the regulation margin is greater because the regulation does not reduce only the gases in the circuit E HP exhaust of the high pressure turbine, which is smaller than the exhaust system E BP of the low pressure turbine .
  • a second variant of the parallel mode proposes that the one-way valve Ci be controlled at the total opening upstream of the low-pressure turbine T BP and that the regulation of the engine boost pressure is obtained. by controlling the position of the two-way valve C 2 , which regulates the discharge rate in the low pressure turbine.
  • the engine supercharging system may comprise a bypass D BP of the low pressure turbine T BP, between its upstream circuit A BP gas intake and downstream circuit E BP exhaust of said gases, with a discharge valve C 0 , for improving the quality of the regulation of the intake overpressure, in parallel mode.
  • the one-way valve in parallel mode, is fully open and the two-way valve is controlled in parallel position, and it is the position of the discharge valve which regulates the pressure.
  • FIGS. 5a to 5d show the positions of the valves of the system respectively, in series mode, in regulated series mode, during the transition between the serial and parallel modes, and in parallel mode according to the first configuration with a bypass of the low pressure turbine.
  • the one-way valve Ci is controlled at full opening while the two-way valve C 2 is in parallel position so that the exhaust gases pass through the two at the same time.
  • turbines knowing that the regulation of the pressure is obtained by controlling the position of the discharge valve C 0 of the low pressure turbine T BP .
  • FIGS. 6a to 6d show the different positions of the valves of the system in serial mode, in regulated series mode, during the transition between the serial and parallel modes, and in parallel mode respectively, according to the second configuration of the engine boost system with a derivation D B p of the low pressure turbine T BP .
  • the one-way valve C1 is controlled in the closed position
  • the two-way valve C 2 is controlled in the series position
  • the discharge valve C 0 is controlled in the closed position (FIG. 6a), which forces the gases exhaust from the exhaust manifold C eCh of the engine to pass through the high pressure turbine T H p and by the low pressure turbine T BP .
  • the regulation of the supercharging pressure Ps is obtained by controlling the position of the valve C1 with a lane, the relief valve C 0 remaining in the closed position, which allows a portion of the gases coming from the manifold C eCh to pass directly through the low pressure turbine T BP ( Figure 6b).
  • the positions of the three valves Ci, C 2 and C 0 are controlled simultaneously to regulate the boost pressure, so that the gases exhaust at the outlet of the engine are distributed in the two turbines and the gases at the outlet of the high pressure turbine are divided between, on the one hand, the escape route E HP downstream thereof and, on the other hand , the inlet of the low pressure turbine and the derivation D BP ( Figure 6c).
  • the complete system is simple because it may consist of two parts: on the one hand the T ⁇ ⁇ turbocollector comprising the exhaust manifold C eCh , the high pressure turbine T H p and the one-way valve Ci between the manifold and the upstream circuit A BP for the admission of the gases of the low pressure turbine T B p, and on the other hand the low pressure turbine T B p comprising the two-way valve C 2 placed downstream of the high pressure turbine T HP and upstream of the low pressure turbine T B p ensuring the alternative operating modes of the two turbines in series and in parallel.
  • the exhaust gas circuit at the outlet of the supercharging system is the same E for both turbines.
  • This architecture is compact because the arrangement of gas paths and valves aims to minimize pressure losses, compact the system and allow the integration of part of the elements of a turbocollector. Finally the controllability is obtained because the two valves are operated continuously. The angular range of the two-way valve movement is small to facilitate the transition from serial mode to parallel mode.
  • FIG. 8a representing the positions of the valves of the system in series mode
  • the one-way valve Ci is controlled in the closed position and the two-way valve C 2 is controlled in the series position so that the gases coming from the exhaust manifold C eCh pass successively through the high pressure turbine T H p and then the low pressure turbine T BP .
  • the two-way valve C 2 In the regulated series operating mode (FIG. 8b), the two-way valve C 2 remains in the series position and the overpressure control is obtained by controlling the one-way valve Ci so that a portion of the gases coming from the collector
  • the exhaust Cec h passes directly through the low pressure turbine while all the gases leaving the high pressure turbine necessarily pass through the low pressure turbine before exiting the supercharging system through the exhaust circuit E.
  • the positions of the two valves Ci and C 2 are simultaneously controlled to regulate the overpressure of the intake air.
  • the gases leaving the exhaust manifold of the engine divide towards the two turbines simultaneously and a portion of the gases leaving the high pressure turbine passes through the low pressure turbine while the other part exits the exhaust E.
  • the two-way valve C 2 is controlled in parallel position and the position of the one-way valve Ci is controlled so that the engine exhaust gases pass through. at the same time through the low pressure turbine and the high pressure turbine. All gases leaving the latter start in the exhaust system E of the system.
  • the one-way valve Ci is completely open and the position of the two-way valve C 2 is controlled to regulate the overpressure.

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Abstract

Système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, comprenant un turbocompresseur haute pression, avec une turbine haute pression destinée à recevoir un premier flux de gaz d'échappement du moteur, un turbocompresseur basse pression dont la turbine basse pression, destinée à recevoir un deuxième flux de gaz d'échappement est en aval de la turbine haute pression, caractérisé en ce qu'il comporte : un clapet (Ci) à une voie, commandable, placé dans le circuit aval d'échappement de la turbine haute pression (THp), un clapet (C2) à deux voies, placé dans le circuit d'échappement des gaz du moteur en amont de la turbine basse pression (TBp) et en aval de la turbine haute pression (THP), commandable entre deux positions extrêmes permettant le fonctionnement des turbines en mode série et en mode parallèle alternativement, ces deux clapets étant commandables par une unité centrale électronique embarquée dans le véhicule.

Description

Système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne
L'invention concerne un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, fonctionnant en permanence en mode bi-turbo et dont les deux turbines des dispositifs turbocompresseurs haute pression et basse pression passent de façon continue du mode de fonctionnement en série au mode de fonctionnement en parallèle. Elle concerne également un procédé de mise en œuvre d'un tel système.
Le problème technique qu'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne doit résoudre est l'augmentation des performances spécifiques du moteur et la réduction du niveau d'émissions polluantes pour répondre aux normes actuelles et futures.
Actuellement, il existe des systèmes de suralimentation bi-turbo séquentielle série ou parallèle tels que décrits dans la demande de brevet publiée sous le numéro US 2006/0021347, au nom de Ford Global Technologies. Ces systèmes nécessitent de prévoir un « by-pass » pour un des deux dispositifs turbocompresseurs dans certains modes de fonctionnement et de ne fonctionner en mode bi-turbo que sur une plage limitée d'utilisation du moteur.
Il existe également des architectures de système de suralimentation à double étage de type « série/parallèle » qui permettent de fonctionner constamment en mode bi-turbo, mais ils sont extrêmement complexes à réaliser.
Le but de l'invention est de réaliser un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne qui fonctionne en mode bi-turbo, avec une transition continue du mode série au mode parallèle et vise et versa.
Pour cela, un premier objet de l'invention est un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, comprenant un turbocompresseur haute pression, avec une turbine haute pression destinée à recevoir un premier flux de gaz d'échappement du moteur, un turbocompresseur basse pression dont la turbine basse pression, destinée à recevoir un deuxième flux de gaz d'échappement est en aval de la turbine haute pression, caractérisé en ce qu'il comporte : - un clapet à une voie, commandable, placé dans le circuit aval d'échappement de la turbine haute pression,
- un clapet à deux voies, placé dans le circuit d'échappement des gaz du moteur en amont de la turbine basse pression et en aval de la turbine haute pression, commandable entre deux positions extrêmes permettant le fonctionnement des turbines en mode série et en mode parallèle alternativement, ces deux clapets étant commandables par une unité centrale électronique embarquée dans le véhicule.
Un deuxième objet de l'invention est un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, comprenant un turbocompresseur haute pression, avec une turbine haute pression destinée à recevoir un premier flux de gaz d'échappement du moteur, un turbocompresseur basse pression dont la turbine basse pression, destinée à recevoir un deuxième flux de gaz d'échappement est en aval de la turbine haute pression, caractérisé en ce qu'il comporte : - un clapet à une voie, commandable, placé dans le circuit amont d'admission des gaz d'échappement de la turbine basse pression, gaz provenant directement du collecteur du moteur,
- un clapet à deux voies, placé dans le circuit d'échappement des gaz du moteur en aval de la turbine haute pression et en amont de la turbine basse pression, commandable entre deux positions extrêmes permettant le fonctionnement des turbines en mode série et en mode parallèle alternativement, ces deux clapets étant commandables par une unité centrale électronique embarquée dans le véhicule.
Selon une autre caractéristique du système de suralimentation, il comporte de plus un clapet de décharge dans une dérivation de la turbine basse pression, entre son circuit amont d'admission des gaz et son circuit aval d'échappement desdits gaz.
Selon une autre caractéristique du système de suralimentation, il comprend d'une part un turbocollecteur intégrant le collecteur d'échappement du moteur, la turbine haute pression et le clapet à une voie entre le collecteur et le circuit amont d'admission des gaz de la turbine basse pression, et d'autre part la turbine basse pression et le clapet à deux voies placé en aval de la turbine haute pression et en amont de la turbine basse pression assurant les modes de fonctionnement alternatifs des deux turbines en série et en parallèle.
Un autre objet de l'invention est un procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne selon le premier objet de l'invention, caractérisé en ce que, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines en série et en parallèle :
- en mode série, le clapet à une voie est commandé en position fermée et le clapet à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression puis par la turbine basse pression, la régulation de la pression de suralimentation étant obtenue par commande de la position du clapet C2 à deux voies,
- lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines, les positions des deux clapets sont commandées simultanément, - en mode parallèle, le clapet à deux voies est commandé en position parallèle et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet à une voie.
Selon une autre caractéristique du procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines en série et en parallèle :
- en mode série, le clapet à une voie est commandé en position fermée et le clapet à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression puis par la turbine basse pression, la régulation de la pression de suralimentation étant obtenue par commande de la position du clapet à deux voies,
- lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines, les positions des deux clapets sont commandées simultanément, - en mode parallèle, le clapet à une voie est commandé à l'ouverture totale et la régulation de la pression de suralimentation du moteur est obtenue par commande de la position du clapet à deux voies.
Un autre objet de l'invention est un procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne selon le deuxième objet de l'invention, caractérisé en ce que, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines en série et en parallèle :
- en mode série, le clapet à une voie est commandé en position fermée et le clapet à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression puis par la turbine basse pression, la régulation de la pression de suralimentation étant obtenue par commande de la position du clapet à une voie, - lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines, les positions des deux clapets sont commandées simultanément pour réguler la pression de suralimentation,
- en mode parallèle, le clapet à deux voies est commandé en position parallèle et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet à une voie.
Selon une autre caractéristique du procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines en série et en parallèle :
- en mode série, le clapet à une voie est commandé en position fermée et le clapet à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression puis par la turbine basse pression, la régulation de la pression de suralimentation étant obtenue par commande de la position du clapet à deux voies,
- lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines, les positions des deux clapets sont commandées simultanément,
- en mode parallèle, le clapet à une voie est commandé à l'ouverture totale et la régulation de la pression de suralimentation du moteur est obtenue par commande de la position du clapet à deux voies.
L'architecture série/parallèle des systèmes, objets de l'invention, par rapport à l'architecture série ou parallèle des systèmes séquentiels actuels présentent les avantages suivants : - une meilleure exploitation du système grâce au fonctionnement permanent en mode bi-turbo,
- une augmentation du couple et de la puissance spécifique du moteur ainsi qu'une diminution du niveau d'émissions polluantes par augmentation des taux de gaz d'échappement recyclés, toujours grâce à l'augmentation du niveau de pression de suralimentation,
- diminution du temps de réponse à bas régime,
- une réalisation simple à faible coût,
- une transition continue du mode de fonctionnement série au mode parallèle des deux turbines, et inversement, - un mode de régulation série identique à celui des systèmes série séquentiels, ce qui permet de réutiliser des stratégies de contrôle existantes, - la possibilité de réguler continûment le flux traversant une des deux turbines en mode parallèle, et ainsi de régler la répartition de débit entre les deux turbines.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, illustrée par les figures suivantes qui sont :
- la figure 1 : un exemple d'architecture du système selon une première configuration,
- les figures 2a à 2e : les positions des clapets du système en mode série, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon la première configuration,
- les figures 3a à 3e : les positions des clapets du système en mode série, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon une seconde configuration, - la figure 4 : une variante d'architecture du système selon la première configuration, avec une dérivation de la turbine basse pression,
- les figures 5a à 5d : les positions des clapets du système en mode série, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon la première configuration avec une dérivation de la turbine basse pression,
- les figures 6a à 6d : les positions des clapets du système en mode série, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon la seconde configuration avec une dérivation de la turbine basse pression, - la figure 7 : un exemple d'architecture détaillée du système selon la seconde configuration,
- les figures 8a à 8e : les positions des clapets du système en mode série, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon l'architecture précédente.
Les éléments portant les mêmes références sur les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats.
Comme le montre l'exemple d'architecture du système de suralimentation d'un moteur thermique selon une première configuration, sur la figure 1 , il comporte deux turbocompresseurs, destinés à comprimer l'air entrant dans le moteur M, un turbocompresseur dit de haute pression et l'autre dit de basse pression, constitué chacun d'un compresseur CHp, respectivement CBp, entraîné par une turbine THP, respectivement TBp, elle-même entraînée par les gaz d'échappement sortant du moteur thermique M par le collecteur d'échappement CeCh- Selon l'invention, les deux compresseurs fonctionnent constamment en série et les deux turbines sont placées alternativement en série ou en parallèle. Chaque turbine, voire les deux, peuvent être de type à géométrie variable.
Selon l'invention, le système comporte de plus deux clapets de régulation, l'un Ci à une voie et l'autre C2 à deux voies, disposés selon deux configurations différentes, commandables par une unité centrale de contrôle.
Selon la première configuration, représentée sur les figures 2a à 2e, le clapet Ci à une voie est placé dans le circuit aval d'échappement EHP de la turbine haute pression THp, et le clapet C2 à deux voies est placé dans le circuit d'échappement CeCh des gaz du moteur en amont de la turbine basse pression TBP et en aval de la turbine haute pression THp, commandable entre deux positions extrêmes permettant le fonctionnement des turbines en mode série et en mode parallèle alternativement.
En mode série, utilisé tout particulièrement à bas régime du moteur, le clapet Ci à une voie est commandé en position fermée, comme le montre la figure 2a, et le clapet C2 à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression THP puis par la turbine basse pression TBP. La régulation de la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission du moteur est obtenue par commande de la position du clapet C2 à deux voies, permettant à une partie des gaz d'échappement venant du collecteur CeCh de passer par la turbine haute pression, comme le montre la figure 2b.
Lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines THp et TBP, les positions des deux clapets sont commandées simultanément (figure 2c), de sorte que les gaz d'échappement en sortie du moteur M se répartissent dans les deux turbines et les gaz en sortie de la turbine haute pression se divisent entre la voie d'échappement EHP en aval de celle-ci et l'entrée de la turbine basse pression.
En mode parallèle (figure 2d) utilisé plus particulièrement à haut régime moteur, le clapet C2 à deux voies est commandé en position parallèle pour que les gaz d'échappement passent simultanément à travers les deux turbines THP et TBP et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet Ci à une voie, selon une première variante, en réduisant le débit à travers la turbine haute pression.
Selon une seconde variante représentée sur la figure 2e en mode parallèle, le clapet à une voie Ci est commandé à l'ouverture totale et la régulation de la pression de suralimentation du moteur est obtenue par commande de la position du clapet C2 à deux voies qui régule le débit de décharge de la turbine basse pression.
Selon la seconde configuration, représentée sur les figures 3a à 3e, le clapet Ci à une voie est placé dans le circuit amont d'admission des gaz d'échappement de la turbine basse pression TBP, gaz provenant directement du collecteur CeCh du moteur, et le clapet C2 à deux voies est placé dans le circuit d'échappement EHp des gaz du moteur en amont de la turbine basse pression TBP et en aval de la turbine haute pression THp. Il est commandable entre deux positions extrêmes permettant le fonctionnement des turbines en mode série et en mode parallèle alternativement.
En mode série, le clapet Ci à une voie est commandé en position fermée et le clapet C2 à deux voies est commandé en position série (figure 3a) obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur M à passer par la turbine haute pression THp puis par la turbine basse pression TBp. La régulation de la pression de suralimentation Ps est obtenue par commande de la position du clapet Ci à une voie, permettant à une partie des gaz venant du collecteur CeCh de traverser directement la turbine basse pression TBP (figure 3b).
Lors de la transition entre les mode de fonctionnement série et parallèle des deux turbines THp et TBP, les positions des deux clapets sont commandées simultanément pour réguler la pression de suralimentation, de sorte que les gaz d'échappement en sortie du moteur se répartissent dans les deux turbines et les gaz en sortie de la turbine haute pression THP se divisent entre la voie d'échappement EHP en aval de cette turbine et l'entrée de la turbine basse pression TBP (figure 3c).
En mode parallèle (figure 3d), le clapet C2 à deux voies est commandé en position parallèle pour que les gaz d'échappement passent simultanément à travers les deux turbines haute et basse pression, et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet Ci à une voie, en amont de la turbine basse pression TBP , qui régule le débit des gaz dans la turbine basse pression. La quantité de gaz d'échappement provenant du moteur et passant dans la turbine basse pression est plus grande que dans le cas de la première configuration, ce qui améliore la régulation. En effet, la marge de régulation est plus grande car la régulation ne réduit pas seulement les gaz dans le circuit EHP d'échappement de la turbine haute pression, qui est plus petit que le circuit d'échappement EBP de la turbine basse pression.
Une seconde variante du mode parallèle, représentée sur la figure 3e, propose que le clapet à une voie Ci soit commandé à l'ouverture totale en amont de la turbine basse pression TBP et que la régulation de la pression de suralimentation du moteur soit obtenue par commande de la position du clapet C2 à deux voies, qui régule le débit de décharge dans la turbine basse pression.
Selon une variante de réalisation de l'invention représentée sur la figure 4, le système de suralimentation du moteur peut comporter une dérivation DBP de la turbine basse pression TBP , entre son circuit amont ABP d'admission des gaz et son circuit aval EBP d'échappement desdits gaz, avec un clapet de décharge C0 , destiné à améliorer la qualité de la régulation de la surpression d'admission, en mode parallèle. Dans cette variante, en mode parallèle, le clapet à une voie est pleinement ouvert et le clapet à deux voies est commandé en position parallèle, et c'est la position du clapet de décharge qui assure la régulation, de la pression.
Les figures 5a à 5d indiquent les positions des clapets du système respectivement,en mode série, en mode série régulé, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle selon la première configuration avec une dérivation de la turbine basse pression.
En mode série (figure 5a), le clapet à une voie Ci est commandé en position fermée, le clapet C2 à deux voies est commandé en position série et le clapet de décharge C0 est commandé en position fermée afin que tous les gaz d'échappement du moteur passent successivement à travers la turbine haute pression puis la turbine basse pression. En mode série régulé (figure 5b), la régulation de la pression de suralimentation de l'air entrant dans le moteur est assurée par la commande de la position du clapet C2 à deux voies en amont de la turbine basse pression TBP. Lors de la transition entre le mode série et le mode parallèle, ou inversement, la régulation de la pression de suralimentation est assurée en continu par la commande des trois clapets simultanément (figure 5c). En mode parallèle régulé (figure 5d), le clapet Ci à une voie est commandé à l'ouverture totale pendant que le clapet C2 à deux voies est en position parallèle pour que les gaz d'échappement passent en même temps à travers les deux turbines, sachant que la régulation de la surpression est obtenue par commande de la position du clapet de décharge C0 de la turbine basse pression TBP.
Les figures 6a à 6d montrent les différentes positions des clapets du système en mode série, en mode série régulé, pendant la transition entre les modes série et parallèle, et en mode parallèle respectivement, selon la seconde configuration du système de suralimentation du moteur avec une dérivation DBp de la turbine basse pression TBP.
En mode série, le clapet Ci à une voie est commandé en position fermée, le clapet C2 à deux voies est commandé en position série et le clapet de décharge C0 est commandé en position fermée (figure 6a), ce qui oblige les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement CeCh du moteur à passer par la turbine haute pression THp puis par la turbine basse pression TBP. La régulation de la pression de suralimentation Ps est obtenue par commande de la position du clapet Ci à une voie, le clapet de décharge C0 restant en position fermée, ce qui permet à une partie des gaz venant du collecteur CeCh de traverser directement la turbine basse pression TBP (figure 6b).
Lors de la transition entre le mode série et le mode parallèle pour les deux turbines THP et TBP, les positions des trois clapets Ci , C2 et C0 sont commandées simultanément pour réguler la pression de suralimentation, de sorte que les gaz d'échappement en sortie du moteur se répartissent dans les deux turbines et les gaz en sortie de la turbine haute pression se divisent entre, d'une part, la voie d'échappement EHP en aval de celle-ci et, d'autre part, l'entrée de la turbine basse pression et la dérivation DBP (figure 6c).
En mode parallèle régulé (figure 6d), le clapet C2 à deux voies est commandé en position parallèle et le clapet Ci à une voie est commandé en position ouverte pour que les gaz d'échappement passent simultanément à travers les deux turbines haute et basse pression, et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet de décharge C0 dans la dérivation DBP entre l'entrée et la sortie de la turbine basse pression TBP. Un exemple d'architecture détaillée du système de suralimentation d'un moteur thermique selon la seconde configuration, particulièrement performante techniquement, est représenté sur la figure 7. Cette architecture présente l'avantage d'être simple, compacte et facilement contrôlable. En effet, le système complet est simple car il peut être constitué de deux pièces : d'une part le turbocollecteur T∞ι comprenant le collecteur d'échappement CeCh, la turbine haute pression THp et le clapet à une voie Ci entre le collecteur et le circuit amont ABP d'admission des gaz de la turbine basse pression TBp, et d'autre part la turbine basse pression TBp comprenant le clapet C2 à deux voies placé en aval de la turbine haute pression THP et en amont de la turbine basse pression TBp assurant les modes de fonctionnement alternatifs des deux turbines en série et en parallèle. Le circuit d'échappement des gaz en sortie du système de suralimentation est le même E pour les deux turbines. Cette architecture est compacte car l'agencement des parcours de gaz et des clapets vise à minimiser les pertes de charge, à compacter le système et à autoriser l'intégration d'une partie des éléments d'un turbocollecteur. Enfin la contrôlabilité est obtenue car les deux clapets sont actionnés de manière continue. La plage angulaire du mouvement du clapet à deux voies est faible afin de faciliter la transition du mode série vers le mode parallèle.
Sur la figure 8a représentant les positions des clapets du système en mode série, le clapet Ci à une voie est commandé en position fermée et le clapet C2 à deux voies est commandé en position série pour que les gaz provenant du collecteur d'échappement CeCh passent successivement à travers la turbine haute pression THp puis la turbine basse pression TBP.
En mode de fonctionnement série régulé (figure 8b), le clapet C2 à deux voies reste en position série et la régulation de la surpression est obtenue par commande du clapet Ci à une voie, afin qu'une partie des gaz venant du collecteur d'échappement Cech passe directement à travers la turbine basse pression tandis que tous les gaz sortant de la turbine haute pression passent obligatoirement à travers la turbine basse pression avant de sortir du système de suralimentation par le circuit d'échappement E.
Pendant la transition entre les modes série et parallèle, les positions des deux clapets Ci et C2 sont commandées simultanément pour assurer la régulation de la surpression de l'air à l'admission. Les gaz sortant du collecteur d'échappement du moteur se divisent vers les deux turbines simultanément et une partie des gaz sortant de la turbine haute pression passe à travers la turbine basse pression alors que l'autre partie sort par l'échappement E. En mode de fonctionnement parallèle régulé, selon une première variante représentée sur la figure 8d, le clapet C2 à deux voies est commandé en position parallèle et la position du clapet Ci à une voie est commandée pour que les gaz d'échappement du moteur passent en même temps à travers la turbine basse pression et la turbine haute pression. Tous les gaz sortant de cette dernière partent dans le circuit d'échappement E du système. Selon une seconde variante représentée sur la figure 8e, le clapet Ci à une voie est totalement ouvert et la position du clapet C2 à deux voies est commandée pour assurer la régulation de la surpression.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, comprenant un turbocompresseur haute pression, avec une turbine haute pression destinée à recevoir un premier flux de gaz d'échappement du moteur, un turbocompresseur basse pression dont la turbine basse pression, destinée à recevoir un deuxième flux de gaz d'échappement est en aval de la turbine haute pression, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un clapet (Ci) à une voie, commandable, placé dans le circuit aval d'échappement de la turbine haute pression (THp),
- un clapet (C2) à deux voies, placé dans le circuit d'échappement des gaz du moteur en amont de la turbine basse pression (TBp) et en aval de la turbine haute pression (THP), commandable entre deux positions extrêmes permettant le fonctionnement des turbines en mode série et en mode parallèle alternativement, ces deux clapets étant commandables par une unité centrale électronique embarquée dans le véhicule.
2. Système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne, comprenant un turbocompresseur haute pression, avec une turbine haute pression destinée à recevoir un premier flux de gaz d'échappement du moteur, un turbocompresseur basse pression dont la turbine basse pression, destinée à recevoir un deuxième flux de gaz d'échappement est en aval de la turbine haute pression, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un clapet (Ci) à une voie, commandable, placé dans le circuit amont d'admission des gaz d'échappement de la turbine basse pression (TBP), gaz provenant directement du collecteur du moteur,
- un clapet (C2) à deux voies, placé dans le circuit d'échappement des gaz du moteur en aval de la turbine haute pression (THp) et en amont de la turbine basse pression (TBP), commandable entre deux positions extrêmes permettant le fonctionnement des turbines en mode série et en mode parallèle alternativement, ces deux clapets étant commandables par une unité centrale électronique embarquée dans le véhicule.
3. Système de suralimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un clapet de décharge (C0) dans une dérivation (DBP) de la turbine basse pression (TBP), entre son circuit amont d'admission (ABP) des gaz et son circuit aval d'échappement (EBP) desdits gaz.
4. Système de suralimentation selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend d'une part un turbocollecteur intégrant le collecteur d'échappement (CeCh) du moteur, la turbine haute pression (THP) et le clapet à une voie (Ci) entre le collecteur et le circuit amont d'admission des gaz de la turbine basse pression (TBp), et d'autre part la turbine basse pression (TBP) et le clapet à deux voies (C2) placé en aval de la turbine haute pression (THp) et en amont de la turbine basse pression (TBp) assurant les modes de fonctionnement alternatifs des deux turbines en série et en parallèle.
5. Procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines (THP et TBP) en série et en parallèle :
- en mode série, le clapet (Ci) à une voie est commandé en position fermée et le clapet (C2) à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression (THp) puis par la turbine basse pression (TBP), la régulation de la pression de suralimentation (Ps) étant obtenue par commande de la position du clapet (C2) à deux voies,
- lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines (THp et TBP), les positions des deux clapets sont commandées simultanément,
- en mode parallèle, le clapet (C2) à deux voies est commandé en position parallèle et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet (Ci) à une voie, en réduisant le débit des gaz dans la turbine haute pression.
6. Procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines (THP et TBP) en série et en parallèle :
- en mode série, le clapet (Ci) à une voie est commandé en position fermée et le clapet (C2) à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression (THP) puis par la turbine basse pression (TBP), la régulation de la pression de suralimentation (Ps) étant obtenue par commande de la position du clapet (C2) à deux voies, - lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines (THp et TBp), les positions des deux clapets sont commandées simultanément,
- en mode parallèle, le clapet à une voie (Ci) est commandé à l'ouverture totale et la régulation de la pression de suralimentation du moteur est obtenue par commande de la position du clapet (C2) à deux voies qui modifie le débit de décharge de la turbine basse pression.
7. Procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines (THP et TBP) en série et en parallèle :
- en mode série, le clapet (Ci) à une voie est commandé en position fermée et le clapet (C2) à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression (THp) puis par la turbine basse pression (TBp), la régulation de la pression de suralimentation (P3) étant obtenue par commande de la position du clapet (Ci) à une voie,
- lors de la transition entre le mode série et le mode parallèle pour les deux turbines (THp et TBP), les positions des deux clapets sont commandées simultanément pour réguler la pression de suralimentation,
- en mode parallèle, le clapet (C2) à deux voies est commandé en position parallèle et la régulation de la pression de suralimentation est obtenue par commande de la position du clapet (Ci) à une voie qui régule le débit des gaz dans la turbine basse pression.
8. Procédé de commande d'un système de suralimentation à double étage pour moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que, en fonction du mode de fonctionnement des deux turbines (THP et TBP) en série et en parallèle :
- en mode série, le clapet (Ci) à une voie est commandé en position fermée et le clapet (C2) à deux voies est commandé en position série, obligeant ainsi les gaz d'échappement venant du collecteur d'échappement du moteur à passer par la turbine haute pression (THP) puis par la turbine basse pression (TBP), la régulation de la pression de suralimentation (P3) étant obtenue par commande de la position du clapet (Ci) à une voie, - lors de la transition entre les modes de fonctionnement série et parallèle des deux turbines (THp et TBp), les positions des deux clapets sont commandées simultanément,
- en mode parallèle, le clapet à une voie (Ci) est commandé à l'ouverture totale et la régulation de la pression de suralimentation du moteur est obtenue par commande de la position du clapet (C2) à deux voies.
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