WO2010100348A1 - Moteur a combustion interne suralimente - Google Patents

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WO2010100348A1 PCT/FR2010/000185 FR2010000185W WO2010100348A1 WO 2010100348 A1 WO2010100348 A1 WO 2010100348A1 FR 2010000185 W FR2010000185 W FR 2010000185W WO 2010100348 A1 WO2010100348 A1 WO 2010100348A1
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Jean Frédéric Melchior
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Melchior Jean F
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with reciprocating pistons, supercharged by a turbocharging unit.
  • the reciprocating internal combustion engines emit a very pulsed flow of burnt gases generated by the successive emptying of the cylinders.
  • the engine is supercharged by one or more turbochargers, it is advantageous to exploit the pressure pulsations in the exhaust manifold to increase the expansion ratio of the turbines.
  • the pressure pulsations must not occur when a cylinder is being emptied, failing to reintroduce burnt gases and degrade the volumetric efficiency of the engine.
  • the cylinders are divided into groups in which the exhaust phases do not interfere with each other. Each group is drained by an exhaust manifold connected to a turbine inlet. It is for this reason that four-stroke engines have groups of up to three cylinders.
  • the 6-cylinder engines generally comprise two groups of 3 cylinders and the 4-cylinder engines two groups of 2 cylinders.
  • turbines In order to limit the number of turbines and to increase the frequency of the pulsations which feed each turbine, turbines have been developed with several gas inlets each of which supplies a sector of the turbine rotor at a different pressure.
  • the invention proposes an internal combustion reciprocating engine supercharged by a turbocharger, the compressor of which is driven by a turbine rotor supplied with burnt gas over its entire periphery by a single distributor volute, this engine comprising two groups of cylinders drained by two exhaust manifolds respectively discharging into one of two converging nozzles parallel to the inlet direction of the scroll of the turbine and whose necks are adjoining and have sections equal to that of the inlet of the volute, characterized in that the nozzles are connected to the volute by a convergent conical channel whose length is between 3 and 8 times the input diameter of the volute, this channel being tangent to the volute and being an extension, upstream, necks of the nozzles and, downstream, the inlet section of the volute.
  • the two pulsed flows converge to a single distributor volute similar to that of turbines with a single gas inlet.
  • This distributor volute sized for the rotor, has an input section Sc (critical section).
  • a rectilinear channel which is tangent to it and which connects the inlet of the volute of section Sc to the outlet of two convergent nozzle convergent, of section to the neck Sc and axes substantially parallel to that of the channel.
  • Each of these nozzles is fed by an exhaust manifold of the engine.
  • the section of the convergent channel therefore decreases from a value 2Sc to a value Sc.
  • the channel wall is a conical surface supported on the one hand on the inlet of the volute and on the other hand on the outlet of the two nozzles . The length of this channel is sufficient for the flow from each nozzle to join the volute with minimal deviation.
  • the advantage of this configuration is to generate a gas velocity in the distributor volute which is not very dependent on the pressure differences in the two collectors.
  • extreme feeding conditions when the two nozzles are fed at the same pressure, the two flows are first accelerated separately up to an intermediate speed in the twin nozzles and then join in the convergent channel for the final acceleration up to the peripheral speed of the rotor; - When a single nozzle is fed, the other being obscured, the single flow is accelerated in its nozzle to the peripheral speed of the rotor to form a section jet Sc which crosses at constant speed the convergent channel where the pressure static is substantially constant to enter the dispensing volute; when the two nozzles are fed at different pressures, the two flow rates adjust to equal the static pressures at the necks of the two nozzles and the two resulting jets accelerate by mixing in the convergent channel to reach the peripheral speed of the rotor at the entrance to the dispenser volute.
  • the turbine is of the radial flow type
  • the two nozzles have a planar joint wall perpendicular to the axis of rotation of the turbine
  • the two nozzles have a planar joint wall parallel to the axis of rotation of the turbine
  • the nozzles are of revolution and are coaxial with the circular conical channel which extends the outer annular nozzle to join the entrance of the volute,
  • the conicity of the rectilinear canal extends that of the volute and the neck of the nozzles.
  • FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of the invention with side-by-side nozzles applied to an in-line 6-cylinder engine;
  • FIGS. 1, 2 and 3 are views of the volute parallel to the axis of the turbine; Figures 3 and 4 show two cross sections of the convergent channel along lines AA 'and BB' of Figure 1;
  • Figure 5 is a schematic view of an embodiment of the invention with coaxial nozzles, applied to a 4-cylinder in-line engine.
  • the reference numeral 1 designates an in-line four-stroke, six-cylinder reciprocating engine divided into two groups of 3 cylinders as indicated above, which comprises a collector of intake 2 common to the six cylinders and two exhaust manifolds 3 connected to the two groups of cylinders.
  • the intake manifold 2 is connected to the outlet of an air compressor 10 driven by a turbine 7 supplied with gas burned by the two exhaust manifolds 3.
  • Each manifold 3 is connected by one of two converging convergent nozzles 4 and a convergent channel 9 to the inlet 5 of a distributor volute 6 feeding the rotor of the turbine 7 over its entire periphery.
  • the neck 8 of each nozzle 4 has a flow section equal to the inlet section 5 of the volute 6.
  • the convergent conical channel 9 extends the two nozzles 4 to the inlet 5 of the volute 6 tangentially to the latter.
  • the substantially rectangular upstream section and the substantially circular downstream section of the channel 9 are shown in FIGS. 3 and 4.
  • the length of the channel 9 must be sufficient for the jet leaving one of the nozzles 4 to reach the inlet section 5 of the the volute 6 with a small deviation and that the jets of the two nozzles can mix before entering the volute.
  • the length of the channel 9 is between about 3 and 8 times the diameter of the inlet section 9 of the volute, depending on the available space.
  • a coaxial configuration of the nozzles 4 allows a channel length smaller than that of the side-by-side configuration.
  • FIG. 5 in which the same references as above were used and which shows another embodiment of the invention.
  • the engine 1 of FIG. 5 comprises four in-line cylinders divided into a group of two central cylinders and a group of two cylinders. end, respectively connected to two nozzles 4 of revolution coaxial with the axis of entry of the volute 6.
  • the necks 8 of the two nozzles 4 have a section equal to the inlet section 5 of the volute 6.
  • the circular conical channel 9 extends the outer nozzle 4 to end at the circular inlet 5 of the dispensing volute 6 similar to that already described.
  • the advantage of this configuration is a nearly zero deviation of the jets of each nozzle and a large mixing surface between the jets.
  • the invention aims to relax in the same turbine two flows generated by the emptying of the cylinders of each of the two groups, whose total pressure varies periodically and are in phase opposition.
  • it will be limited to a 6-cylinder diesel engine equipped with shutters according to the application WO 2008/090273, which generates in each manifold 3 a pressure pulse on 60 degrees of rotation of the motor shaft followed a constant pressure on 180 degrees of rotation, the two collectors being out of phase by 120 degrees.
  • the turbine is fed for 60 degrees of rotation by a pulsation in a nozzle and a constant pressure P in the other nozzle and then for 60 degrees of rotation by the same constant pressure P in the two nozzles.
  • the situation at the peak of the pulsation at 2P is as follows: the flow of gas in each nozzle will be established to equalize the static pressure at both necks. Since the expansion rate in the high pressure nozzle is critical, the static pressure at the necks is equal to the constant pressure P imposed by the other nozzle which does not discharge. The turbine is then fed exclusively by the high pressure nozzle with a total pressure of 2P. The sonic jet emitted by the high pressure nozzle passes through the channel 9 where the static pressure is constant and equal to P to fill the volute 6.
  • the flow in each nozzle When the two nozzles are fed at the same constant pressure P, the flow in each nozzle, equal to half the flow of the turbine, undergoes a first acceleration in the nozzle and then joins the other stream to undergo a second acceleration in the channel 9 before entering the volute 6.
  • the flow of the turbine in the first situation is controlled by the neck 8 while the flow rate of the turbine in the second situation is controlled by section 5 of the same surface.
  • the ratio of the flow rates is substantially that of the generating pressures and is therefore equal to 2
  • the flow rate of each nozzle 4 is adjusted so that the static pressures at both necks 8 are identical. Downstream of the necks 8, the two jets mix by accelerating in the conical conical channel to feed the volute 6 to a total pressure between those of the two collectors 3 and function of the ratio of the flow rates of the nozzles 4.

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Abstract

Moteur à combustion interne suralimenté par un turbocompresseur dont le compresseur (10) est entraîné par un rotor de turbine (7) alimenté en gaz brûlés sur toute sa périphérie par une volute distributrice unique (6), ce moteur comportant deux groupes de cylindres vidangés par deux collecteurs d'échappement (3) débitant respectivement dans l'une de deux tuyères convergentes (4) parallèles à la direction d'entrée de la volute (6) de la turbine et dont les cols (8) sont mitoyens et ont des sections égales à celle de l'entrée (5) de la volute (6), les tuyères (4) étant reliées à la volute par un canal conique convergent (9) tangent à la volute et ayant une longueur comprise entre 3 et 8 fois environ le diamètre d'entrée de la volute.

Description

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE SURALIMENTE
L'invention concerne un moteur à combustion interne à pistons alternatifs, suralimenté par un groupe de turbocompression.
Les moteurs alternatifs à combustion interne émettent un flux très puisé de gaz brûlés généré par les vidanges successives des cylindres. Quand le moteur est suralimenté par un ou des turbocompresseurs, il est avantageux d'exploiter les pulsations de pression régnant dans le collecteur d'échappement pour augmenter le taux de détente des turbines.
Néanmoins les pulsations de pression ne doivent pas se produire quand un cylindre est en cours de vidange, sous peine d'y réintroduire des gaz brûlés et de dégrader le rendement volumétrique du moteur. Pour éviter ces inconvénients, les cylindres sont répartis en groupes dans lesquels les phases d'échappement n'interfèrent pas entre elles. Chaque groupe est vidangé par un collecteur d'échappement relié à une entrée de turbine. C'est pour cette raison que les moteurs à quatre temps comportent des groupes de trois cylindres au plus. Les moteurs à 6 cylindres comprennent en général deux groupes de 3 cylindres et les moteurs à 4 cylindres deux groupes de 2 cylindres. Afin de limiter le nombre des turbines et d'augmenter la fréquence des pulsations qui alimentent chaque turbine, on a développé des turbines à plusieurs entrées de gaz dont chacune alimente un secteur du rotor de turbine à une pression différente. Cette disposition génère des écoulements parasites qui dégradent le rendement de la turbine. Pour éviter ces inconvénients, on associe fréquemment les moteurs à 4 ou 6 cylindres à des turbines radiales dites « twin scroll » dont le rotor est alimenté sur la totalité de sa circonférence par deux volutes jumelles mitoyennes reliées chacune à un groupe de cylindres via une tuyère convergente qui accélère les gaz jusqu'à la vitesse périphérique du rotor. Cette disposition présente l'inconvénient que la vitesse tangentielle des gaz à l'entrée du rotor varie beaucoup avec les pressions d'alimentation des deux volutes. Pour remédier à ces inconvénients, l'invention propose un moteur alternatif à combustion interne suralimenté par un turbocompresseur dont le compresseur est entraîné par un rotor de turbine alimenté en gaz brûlés sur toute sa périphérie par une volute distributrice unique, ce moteur comportant deux groupes de cylindres vidangés par deux collecteurs d'échappement débitant respectivement dans l'une de deux tuyères convergentes parallèles à la direction d'entrée de la volute de la turbine et dont les cols sont mitoyens et ont des sections égales à celle de l'entrée de la volute, caractérisé en ce que les tuyères sont reliées à la volute par un canal conique convergent dont la longueur est comprise entre 3 et 8 fois environ le diamètre d'entrée de la volute, ce canal étant tangent à la volute et étant un prolongement, en amont, des cols des tuyères et, en aval, de la section d'entrée de la volute.
Conformément à l'invention, les deux écoulements puisés convergent vers une seule volute distributrice similaire à celle des turbines à une seule entrée de gaz. Cette volute distributrice, dimensionnée pour le rotor, a une section d'entrée Sc (section critique).
Elle est prolongée vers l'amont par un canal rectiligne qui lui est tangent et qui relie l'entrée de la volute de section Sc à la sortie de deux tuyères convergentes mitoyennes, de section au col Sc et d'axes sensiblement parallèles à celui du canal. Chacune de ces tuyères est alimentée par un collecteur d'échappement du moteur. La section du canal convergent décroît donc d'une valeur 2Sc à une valeur Sc. La paroi du canal est une surface conique s'appuyant d'une part sur l'entrée de la volute et d'autre part sur la sortie des deux tuyères. La longueur de ce canal est suffisante pour que l'écoulement issu de chaque tuyère rejoigne la volute avec une déviation minimale.
L'avantage de cette configuration est de générer une vitesse des gaz dans la volute distributrice qui est peu dépendante des différences de pression dans les deux collecteurs. Dans les conditions d'alimentation extrêmes : - lorsque les deux tuyères sont alimentées à la même pression, les deux écoulements sont d'abord accélérés séparément jusqu'à une vitesse intermédiaire dans les tuyères jumelles puis se rejoignent dans le canal convergent pour l'accélération finale jusqu'à la vitesse périphérique du rotor ; - lorsqu'une seule tuyère est alimentée, l'autre étant occultée, l'écoulement unique est accéléré dans sa tuyère jusqu'à la vitesse périphérique du rotor pour constituer un jet de section Sc qui traverse à vitesse constante le canal convergent où la pression statique est sensiblement constante pour pénétrer dans la volute distributrice ; - lorsque les deux tuyères sont alimentées à des pressions différentes, les deux débits s'ajustent pour égaler les pressions statiques aux cols des deux tuyères et les deux jets résultants s'accélèrent en se mélangeant dans le canal convergent pour atteindre la vitesse périphérique du rotor à l'entrée de la volute distributrice. Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
- la turbine est du type à flux radial,
- les deux tuyères ont une paroi mitoyenne plane perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine,
- les deux tuyères ont une paroi mitoyenne plane parallèle à l'axe de rotation de la turbine,
- les tuyères sont de révolution et sont coaxiales au canal conique circulaire qui prolonge la tuyère annulaire extérieure pour rejoindre l'entrée de la volute,
- la conicité du canal rectiligne prolonge celle de la volute et du col des tuyères.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation de l'invention à tuyères côte à côte, appliqué à un moteur à 6 cylindres en ligne ;
- la figure 2 est une vue de la volute parallèlement à l'axe de la turbine ; les figures 3 et 4 montrent deux coupes transversales du canal convergent selon les lignes A-A' et B-B' de la figure 1 ; la figure 5 est une vue schématique d'un mode de réalisation de l'invention à tuyères coaxiales, appliqué à un moteur à 4 cylindres en ligne. On se réfère d'abord aux figures 1 , 2 et 3 dans lesquelles la référence 1 désigne un moteur alternatif à quatre temps et à six cylindres en ligne répartis en deux groupes de 3 cylindres comme indiqué ci-dessus, qui comporte un collecteur d'admission 2 commun aux six cylindres et deux collecteurs d'échappement 3 reliés aux deux groupes de cylindres. Le collecteur d'admission 2 est relié à la sortie d'un compresseur d'air 10 entraîné par une turbine 7 alimentée en gaz brûlés par les deux collecteurs d'échappement 3.
Chaque collecteur 3 est relié par l'une de deux tuyères convergentes mitoyennes 4 et par un canal convergent 9 à l'entrée 5 d'une volute distributrice 6 alimentant le rotor de la turbine 7 sur toute sa périphérie. Le col 8 de chaque tuyère 4 a une section débitante égale à la section d'entrée 5 de la volute 6.
Le canal conique convergent 9 prolonge les deux tuyères 4 jusqu'à l'entrée 5 de la volute 6 tangentiellement à cette dernière. La section amont sensiblement rectangulaire et la section aval sensiblement circulaire du canal 9 sont représentées aux figures 3 et 4. La longueur du canal 9 doit être suffisante pour que le jet sortant de l'une des tuyères 4 rejoigne la section d'entrée 5 de la volute 6 avec une faible déviation et que les jets des deux tuyères puissent se mélanger avant de pénétrer dans la volute. En pratique, la longueur du canal 9 est comprise entre environ 3 et 8 fois le diamètre de la section 9 d'entrée de la volute, selon la place disponible. Une configuration coaxiale des tuyères 4 permet une longueur de canal inférieure à celle de la configuration côte à côte.
On se réfère maintenant à la figure 5 dans laquelle on a utilisé les mêmes références que précédemment et qui montre un autre mode de réalisation de l'invention.
Le moteur 1 de la figure 5 comprend quatre cylindres en ligne répartis en un groupe de deux cylindres centraux et un groupe de deux cylindres d'extrémité, reliés respectivement à deux tuyères 4 de révolution coaxiales à l'axe d'entrée de la volute 6.
Comme précédemment, les cols 8 des deux tuyères 4 ont une section égale à la section d'entrée 5 de la volute 6. Le canal conique circulaire 9 prolonge la tuyère extérieure 4 pour aboutir à l'entrée circulaire 5 de la volute distributrice 6 similaire à celle déjà décrite. L'avantage de cette configuration est une déviation presque nulle des jets de chaque tuyère et une surface de mélange importante entre les jets.
Le fonctionnement de l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1 à 5.
On rappelle d'abord que l'invention a pour but de détendre dans la même turbine deux écoulements générés par le vidage des cylindres de chacun des deux groupes, dont la pression totale varie périodiquement et qui sont en opposition de phase. Pour simplifier l'exposé, on se limitera à un moteur diesel à 6 cylindres équipé d'obturateurs conformément à la demande WO 2008/090273, qui génère dans chaque collecteur 3 une pulsation de pression sur 60 degrés de rotation de l'arbre moteur suivie d'une pression constante sur 180 degrés de rotation, les deux collecteurs étant déphasés de 120 degrés. Dans ce moteur, la turbine est alimentée pendant 60 degrés de rotation par une pulsation dans une tuyère et par une pression constante P dans l'autre tuyère puis pendant 60 degrés de rotation par la même pression constante P dans les deux tuyères.
La situation à la crête de la pulsation qui se situe à 2P, est la suivante : le débit de gaz dans chaque tuyère va s'établir pour égaliser la pression statique aux deux cols. Le taux de détente dans la tuyère haute pression étant critique, la pression statique aux cols est égale à la pression constante P imposée par l'autre tuyère qui ne débite pas. La turbine est alors alimentée exclusivement par la tuyère haute pression avec une pression totale 2P. Le jet sonique émis par la tuyère haute pression traverse le canal 9 où la pression statique est constante et égale à P pour remplir la volute 6. Lorsque les deux tuyères sont alimentées à la même pression constante P, le flux dans chaque tuyère, égal à la moitié du flux de la turbine, subit une première accélération dans la tuyère puis rejoint l'autre flux pour subir une deuxième accélération dans le canal 9 avant de pénétrer dans la volute 6. Le débit de la turbine dans la première situation est contrôlé par le col 8 alors que le débit de la turbine dans la seconde situation est contrôlé par la section 5 de même surface. Le rapport des débits est sensiblement celui des pressions génératrices et est donc égal à 2 Dans les situations intermédiaires où la pression dans un collecteur 3 est égale à P et la pression dans l'autre collecteur 3 est comprise entre P et 2P, le débit de chaque tuyère 4 s'ajuste pour que les pressions statiques aux deux cols 8 soient identiques. En aval des cols 8, les deux jets se mélangent en s'accélérant dans le canal conique convergent pour alimenter la volute 6 à une pression totale comprise entre celles des deux collecteurs 3 et fonction du rapport des débits des tuyères 4.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Moteur alternatif à combustion interne suralimenté par un turbocompresseur dont le compresseur (10) est entraîné par un rotor de turbine (7) alimenté en gaz brûlés sur toute sa périphérie par une volute distributrice unique (6), ce moteur comportant deux groupes de cylindres vidangés par deux collecteurs d'échappement (3) débitant respectivement dans l'une de deux tuyères convergentes (4) parallèles à la direction d'entrée de la volute (6) de la turbine et dont les cols (8) sont mitoyens et ont des sections égales à celle de l'entrée (5) de la volute (6), caractérisé en ce que les tuyères (4) sont reliées à la volute par un canal conique convergent (9) dont la longueur est comprise entre 3 et 8 fois le diamètre de l'entrée de la volute, ce canal étant tangent à la volute et étant un prolongement, en amont, des cols (8) des tuyères et, en aval, de la section d'entrée (5) de la volute.
2- Moteur alternatif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la turbine (7) est du type à flux radial.
3- Moteur alternatif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux tuyères (4) ont une paroi mitoyenne plane perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine.
4- Moteur alternatif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les deux tuyères (4) ont une paroi mitoyenne plane parallèle à l'axe de rotation de la turbine.
5- Moteur alternatif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les tuyères (4) sont de révolution et sont coaxiales au canal conique (9) qui prolonge la tuyère annulaire extérieure pour rejoindre l'entrée (5) de la volute (6).
6- Moteur alternatif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la conicité du canal rectiligne (9) prolonge celle de la volute (6) et du col des tuyères (4).
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