FR2783013A1 - Equipement moteur a turbocompresseur pour un vehicule - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne plus particulièrement l'amélioration du rendement d'un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement lorsque le moteur à combustion interne tourne à vitesse relativement faible.L'invention prévoit un compresseur additionnel (18) qui produit de l'air extérieur comprimé pouvant être amené en fonction des besoins au système de canalisation d'air (5, 7) en amont du moteur à combustion interne (2). Le compresseur additionnel est un appareil (18) déjà présent dans le véhicule à d'autres fins, par exemple une pompe fournissant de l'air comprimé à un système de régulation de niveau ou à une suspension pneumatique.Applicable à l'entraînement de véhicules automobiles.
Description
L'invention concerne un équipement moteur pour un véhicule, comprenant un
moteur à combustion interne destiné à délivrer de l'énergie d'entraînement, un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement, qui comporte une turbine et un compresseur, la turbine étant mue par des gaz d'échappement du moteur et le compresseur étant
entraîné par la turbine, ainsi qu'un système de ca-
nalisation d'air qui amène de l'air extérieur au compresseur, dans lequel il est comprimé en air de suralimentation, et qui guide l'air de suralimentation
à partir du compresseur jusqu'au moteur.
Pour augmenter la puissance d'un moteur à combustion interne, on utilise habituellement, s'agissant d'équipements moteurs pour véhicules automobiles notamment, un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement, qui comporte une turbine mue par des gaz d'échappement du moteur à combustion interne et un compresseur entraîné par la turbine. Dans le compresseur, de l'air extérieur, qui est habituellement aspiré à travers un filtre à air à partir de l'environnement atmosphérique du véhicule, est comprimé en air de suralimentation, lequel est ensuite amené au moteur en vue de la combustion. La
compression procure un débit massique plus grand, le-
quel permet une augmentation de la puissance du moteur.
Comme le turbocompresseur d'un équipement mo-
teur est habituellement conçu pour le régime à pleine charge à hautes vitesses de rotation du moteur, il peut seulement produire une compression relativement faible de l'air extérieur aux basses vitesses de rotation du moteur, de sorte qu'une augmentation de la puissance par le turbocompresseur n'est pratiquement pas possible dans une telle plage de basse vitesse de rotation du moteur à combustion interne. C'est seulement à des vitesses de rotation plus élevées que le compresseur produit une suralimentation suffisante. Cette suralimentation provoque, par la masse d'air accrue et la masse de carburant accrue en conséquence, une augmentation de la puissance du moteur d'une part et une température et une pression plus élevées des gaz d'échappement d'autre part, ce qui augmente fortement la puissance fournie par la turbine. En raison de ce rétrocouplage, le moteur peut rapidement délivrer une grande puissance dès que le turbocompresseur "entre en action", c'est-à-dire dès que le compresseur assure une suralimentation suffisante. L'absence d'efficacité ou
la faible efficacité du turbocompresseur aux basses vi-
tesses de rotation, jusqu'à l'entrée en action du
turbocompresseur, est appelée aussi "turbotrou".
Un grand nombre de différentes propositions ont été faites pour améliorer le pouvoir de délivrance de puissance d'un moteur à combustion interne suralimenté également dans la plage de basses vitesses
de rotation.
Par le brevet des E.U.A. 3 673 797 par exemple, on connaît un équipement moteur sur lequel la puissance d'entraînement d'un moteur à combustion interne, auquel est combinée une turbine mue par les gaz d'échappement du moteur, est augmentée du fait que la turbine injecte sa puissance d'entraînement dans un différentiel coopérant avec la chaîne cinématique à la suite du moteur. De cette manière, la puissance d'entraînement du moteur est augmentée directement par la puissance d'entraînement de la turbine. Toutefois, aux basses vitesses de rotation du moteur, cette turbine présente également un "turbotrou". De plus, dans le cas de cet équipement moteur, la chaîne cinématique, entraînée par le moteur et la turbine, contient un second différentiel par lequel est entraîné
un compresseur qui comprime de l'air extérieur et l'en-
voie comme air de suralimentation au moteur. Le compresseur, entraîné mécaniquement de cette manière, augmente donc aussi, indirectement, la puissance d'entraînement du moteur à combustion interne. Un tel compresseur, entraîné mécaniquement, ne présente pas un "turbotrou" très accentué comme un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement, de sorte qu'on peut obtenir dans ce cas, également aux vitesses de rotation relativement basses, une augmentation de la puissance par la suralimentation du moteur. Il s'y ajoute que cet équipement moteur connu comporte un compresseur supplémentaire qui est entraîné par la turbine et qui comprime de l'air extérieur, lequel est envoyé ensuite, soit en série à l'autre compresseur, soit parallèlement à celui-ci au moteur à combustion interne. La construction d'un tel équipement moteur est
cependant très onéreuse.
L'invention vise à réaliser, par des disposi-
tions simples au niveau de la construction, un équipement moteur, du type mentionné au début, de manière que le pouvoir de délivrance de puissance d'un moteur à combustion interne faisant partie de l'équipement soit accru dans la plage de basses
vitesses de rotation.
Conformément à l'invention, on obtient ce ré-
sultat par un équipement moteur caractérisé en ce qu'il est prévu un compresseur additionnel qui produit de l'air extérieur comprimé, lequel peut être amené en fonction des besoins au système de canalisation d'air en amont du moteur à combustion interne, le compresseur additionnel utilisé étant un compresseur déjà présent
dans le véhicule à d'autres fins.
L'invention est basée sur le concept général consistant à utiliser un appareil de compression d'air déjà contenu dans un but en principe quelconque dans le véhicule, comme par exemple un compresseur ou un ventilateur, pour élever le niveau de pression de l'air amené en vue de la combustion au moteur à combustion interne. En appliquant la disposition proposée par l'invention à des équipements moteurs existants, il suffit d'effectuer des modifications simples au niveau de la construction et qui sont en outre réalisables économiquement et facilement, pour obtenir un
équipement moteur selon l'invention.
L'invention exploite la constatation que même une élévation relativement faible du niveau de pression de l'air extérieur amené au moteur suffit à provoquer une entrée en action du turbocompresseur à des vitesses de rotation plus basses. En effet, même une pression légèrement plus élevée provoque un débit d'air massique accru et par suite également une amenée de carburant plus importante, avec le résultat que la température et la pression des gaz d'échappement, donc aussi leur enthalpie, augmentent, si bien que la turbine peut immédiatement transmettre plus d'énergie au compresseur. Le rétrocouplage s'accroît ensuite rapidement par interaction, de sorte que le turbocompresseur de suralimentation entre en action. Le "turbotrou" est ainsi décalé vers de plus petites vitesses de rotation, en direction de la vitesse de
ralenti.
Un mode de réalisation de l'équipement moteur selon l'invention prévoit que, au cas o le moteur à combustion interne est un moteur Otto, il est prévu un dispositif d'épuration de gaz d'échappement comprenant un catalyseur installé en aval de la turbine dans un conduit d'échappement, et une alimentation d'air secondaire, pouvant être mise en service conjointement avec l'équipement moteur et possédant un ventilateur d'air secondaire, pouvant être mis en service conjointement avec l'équipement moteur, qui amène de l'air extérieur en fonction des besoins et à travers un conduit d'air secondaire au conduit d'échappement en amont du catalyseur, le ventilateur d'air secondaire étant utilisé en tant que compresseur additionnel, et avec prévision de moyens formant soupape qui, en fonction des besoins, amènent l'air extérieur comprimé, produit par le compresseur additionnel, au système de
canalisation d'air ou au conduit d'échappement.
Selon une caractéristique de l'invention, l'air extérieur comprimé, produit par le compresseur additionnel, est amené au système de canalisation d'air en cas de pleine charge alors que le moteur à combustion interne tourne dans une plage de basse
vitesse de rotation.
Conformément à un mode de réalisation avanta-
geux, l'air extérieur comprimé, produit par le compres-
seur additionnel, est introduit en amont du compresseur dans le système de canalisation d'air, de sorte que le compresseur reçoit déjà un niveau de pression accru. La conséquence en est que l'élévation de pression produite par le compresseur additionnel a un effet non pas additif mais multiplicatif sur la pression d'air de suralimentation produite par le compresseur, de sorte que le turbocompresseur entre en action à des vitesses
de rotation encore plus basses.
Pour produire de l'air extérieur comprimé,
l'invention propose l'utilisation d'un appareil de com-
pression quelconque, qui est déjà contenu pour un autre but dans le véhicule. En tant qu'appareils de compression utilisables à cette fin, on peut envisager, par exemple, une pompe à air comprimé d'un système de régulation de niveau, une pompe à air comprimé d'une
suspension pneumatique ou un dispositif analogue.
L'utilisation d'un tel dispositif de compression d'air, déjà présent dans le véhicule, est notamment possible parce que, d'un côté, il suffit de seulement une faible élévation du niveau de pression pour obtenir l'effet désiré. D'un autre côté, les appareils mentionnés de compression ne sont typiquement pas nécessaires dans les systèmes du véhicule auxquels ils sont adjoints (par exemple la régulation de niveau, la suspension pneumatique) dans les phases de fonctionnement au cours desquelles il s'agit d'obtenir une augmentation de la puissance du moteur à l'aide de ces appareils de compression d'air. En outre, de tels systèmes pneumatiques du véhicule disposent habituellement de réservoirs d'air comprimé, de sorte que l'appareil de compression d'air associé peut, pendant une courte durée, assurer aussi une autre fonction dans le véhicule. Conformément à un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'équipement moteur selon l'invention, on utilise pour la précompression un ventilateur d'air secondaire qui, au cas o le moteur à combustion interne est un moteur Otto, sert surtout, pendant une phase d'échauffement, à enrichir les gaz d'échappement en oxygène afin d'obtenir, dans un catalyseur (convertisseur catalytique) d'oxydation, une postcombustion des constituants de carburant encore contenus dans les gaz d'échappement pendant la phase d'échauffement, ou une oxydation des éléments CO et CH des gaz d'échappement. Cette postcombustion ou oxydation ultérieure des gaz d'échappement est produite de préférence, s'agissant de moteurs Otto, pendant la phase d'échauffement, dans laquelle on fait fonctionner le moteur habituellement avec excès de carburant, afin de diminuer l'émission de polluants. Quand le moteur est chaud, le ventilateur d'air secondaire n'est habituellement plus nécessaire pour la postcombustion, de sorte qu'il est utilisable sans restriction pour précomprimer l'air extérieur aux basses vitesses de rotation. A l'aide d'une commande conçue en conséquence, il est possible aussi, pour des phases de fonctionnement qui se chevauchent, c'est-à- dire lorsque la pleine charge est demandée à basse vitesse de rotation pendant la phase d'échauffement du moteur, de
donner la priorité, soit à une faible émission de pol-
luants, soit à une plus forte puissance du moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la
description qui va suivre d'un exemple de réalisation
préféré mais nullement limitatif, ainsi que de la figure unique du dessin annexé, qui est une représentation schématique du principe d'un équipement
moteur selon l'invention.
Il va de soi que les caractéristiques
mentionnées dans ce qui précède et celles décrites ci-
après, sont applicables non seulement dans la combinaison indiquée chaque fois, mais aussi en d'autres combinaisons ou individuellement, sans sortir
du cadre de l'invention.
Conformément à la figure, montrant un mode de réalisation préféré d'un équipement moteur 1 selon l'invention, celui-ci comprend un moteur à combustion interne 2 sous la forme d'un moteur Otto, qui est suralimenté par un turbocompresseur à gaz d'échappement 3 en vue de l'augmentation de la puissance. A cet effet, le turbocompresseur 3 comporte un compresseur 4 auquel est amené, à travers un conduit d'air extérieur , de l'air extérieur aspiré à partir de l'environnement 6 d'un véhicule qui n'est pas représenté lui-même. A des vitesses de rotation
relativement élevées du moteur 2, le compresseur 4 com-
prime l'air extérieur en air de suralimentation, lequel est envoyé au moteur 2 à travers un conduit d'air de
suralimentation 7.
Le conduit 7 contient un refroidisseur d'air de suralimentation 8 dans lequel de l'énergie thermique est retirée de l'air de suralimentation échauffé par la compression dans le compresseur 4 - afin d'accroître ainsi plus encore le débit d'air massique amené au moteur 2. Le conduit d'air de suralimentation 7 contient, avant l'entrée de l'air de suralimentation refroidi dans le moteur 2, un volet d'étranglement 9 par lequel l'air de suralimentation peut être étranglé aux points de fonctionnement du moteur 2 o toute l'augmentation de puissance pouvant être procurée par
la suralimentation en air n'est pas requise.
En amont du compresseur 4, le conduit d'air extérieur 5 contient, pour commencer, un filtre à air que l'air extérieur traverse. Un organe de mesure de masse d'air 11 est installé en plus dans le conduit d'air extérieur 5 en amont du compresseur 4. Un tel organe de mesure 11 peut être réalisé par exemple comme ce qu'on appelle un mesureur à film chaud et sert à déterminer la masse de carburant devant être amenée au moteur 2 à travers un dispositif non représenté
d'injection de carburant en vue de la combustion.
L'équipement moteur représenté, fonctionne par conséquent en utilisant la masse d'air amenée au moteur 2 comme grandeur de commande pour la régulation de ce moteur. L'air extérieur comprimé par le compresseur additionnel 18 sera généralement introduit dans ce cas dans le système de canalisation d'air 5, 7 en amont de l'organe de mesure 11, ainsi qu'il sera décrit par la suite. Le turbocompresseur 3 possède en outre une turbine 12 installée dans un conduit d'échappement 13 et mue par des gaz d'échappement du moteur 2. La turbine 12 est accouplée par un arbre d'entraînement 14 au compresseur 4, de sorte que ce dernier est entraîné
par la turbine.
En aval de la turbine 12, le conduit d'échappement 13 contient un catalyseur 15 qui fonctionne de manière usuelle et produit une réduction de l'émission de polluants du moteur 2. En aval du catalyseur 15, le conduit d'échappement 13 contient un silencieux 16 afin de réduire de manière habituelle les émissions sonores et, par suite, le bruit produit par l'équipement moteur 1, plus exactement son moteur à
combustion interne 2.
L'équipement moteur 1 selon l'invention est équipé en outre d'une alimentation d'air secondaire 17 qui est entourée sur la figure par une ligne en trait interrompu. Cette alimentation comprend un ventilateur d'air secondaire 18 installé en amont du compresseur 4 et qui, sur un premier point de raccordement 19, dérive de l'air extérieur à travers un conduit d'amenée 20 à partir du conduit d'air extérieur 5. Cet air extérieur est comprimé dans le ventilateur 18 et introduit à travers un conduit d'air secondaire 21 dans le conduit d'échappement 13 en amont du catalyseur 15. Le compresseur 18 est donc monté parallèlement au conduit amenant l'air extérieur au compresseur 4. Afin que le moteur 2 présente en particulier une marche stable pendant sa phase d'échauffement, il est alimenté avec un mélange riche pendant cette phase d'échauffement ou de départ à froid, de sorte que les gaz d'échappement du moteur contiennent des éléments CO et CH imbrûlés. Dans le but de réduire l'émission de polluants pendant ce régime d'échauffement du moteur 2, de l'air extérieur, c'est-à-dire essentiellement de l'oxygène, est insufflé à l'aide de l'alimentation d'air secondaire 17 dans les gaz d'échappement, ce qui entraîne au plus tard dans le catalyseur 15 une oxydation ultérieure ou une postcombustion des constituants de carburant imbrûlés contenus dans les
gaz d'échappement.
Dans l'équipement moteur 1 selon l'invention, l'alimentation d'air secondaire 17 est modifiée, par des dispositions au niveau de la construction, afin que le ventilateur d'air secondaire 18 soit utilisable comme compresseur additionnel pour augmenter la puissance du moteur 2 en améliorant le comportement d'entrée en action du turbocompresseur 3 aux basses vitesses de rotation. Selon une première disposition, un conduit de retour 22 est raccordé au conduit d'air secondaire 21 à la suite du ventilateur d'air secondaire servant de compresseur additionnel 18, conduit de retour qui débouche à un second point de raccordement 23 situé en aval du premier point de
raccordement 19 dans le conduit d'air extérieur 5. Se-
lon une deuxième disposition, le conduit d'air se-
condaire 21 est équipé de moyens formant soupape, plus exactement d'une soupape commandée 24 qui, suivant sa position ouverte ou fermée, permet ou empêche l'envoi d'air à travers le conduit d'air secondaire 21 au conduit d'échappement 13. De plus, entre les points de raccordement 19 et 23, le conduit d'air extérieur 5 est équipé d'une soupape antiretour 25 à travers de laquelle l'air peut s'écouler en direction du compresseur 4 et qui coupe tout écoulement en sens
contraire à travers ce conduit.
Afin d'augmenter la puissance ou le couple du moteur 2 aux basses vitesses de rotation, la soupape 24
est fermée et le compresseur additionnel 18 est activé.
L'air extérieur aspiré de l'environnement 6 à travers le conduit d'amenée 20, est alors comprimé et introduit à travers le conduit de retour 22 dans le conduit d'air extérieur 5, par lequel il parvient dans le compresseur 4. Même aux basses vitesses de rotation, le compresseur 4 du turbocompresseur 3 déploie une certaine puissance de compression, laquelle a un effet multiplicatif sur la pression de l'air amené au compresseur 4. De cette manière, même une faible élévation de pression, produite par le ventilateur d'air secondaire 18, initialement non prévu pour cette fonction, est nettement amplifiée. Le débit d'air massique, ainsi accru, provoque, sur le moteur Otto à régulation par le débit d'air, une augmentation correspondante de la quantité de carburant amenée au moteur. Le gaz d'échappement sortant à ce moment du moteur 2, présente une entalphie accrue, laquelle est transformée dans la turbine 12 en puissance d'entraînement du compresseur 4. Cette plus forte puissance d'entraînement du compresseur 4 produit une compression plus grande de l'air de suralimentation. Ce rétrocouplage s'accroît rapidement par interaction, de sorte que le turbocompresseur réagit ou entre en action tôt et que l'augmentation désirée de la puissance se produit déjà à des vitesses de rotation relativement basses du
moteur 2.
Afin de réduire l'émission de polluants lors d'un départ à froid, la soupape 24 est ouverte et le ventilateur d'air secondaire 18 est activé. Pour que l'air secondaire ne soit pas amené à travers le conduit de retour 22 au processus de combustion dans le moteur 2, le volet 9 produit un étranglement de l'air de
suralimentation, de sorte que l'air secondaire est in-
troduit essentiellement à travers le conduit d'air secondaire 21 dans le conduit d'échappement 13 - et de là dans le catalyseur 15 - et provoque la
postcombustion désirée.
Il est possible aussi, ce qui n'est pas représenté, que le compresseur additionnel 18 charge d'air extérieur un réservoir et que l'air extérieur comprimé, ainsi produit par le compresseur additionnel 18, est amené selon les besoins, à partir de ce
réservoir, au système de canalisation d'air 5, 7.
I i
Claims (8)
1. Equipement moteur pour un véhicule, comprenant un moteur à combustion interne destiné à délivrer de l'énergie d'entraînement, un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement, qui comporte une turbine et un compresseur, la turbine étant mue par des gaz d'échappement du moteur et le compresseur étant entraîné par la turbine, ainsi qu'un système de canalisation d'air qui amène de l'air extérieur au compresseur, dans lequel il est comprimé en air de suralimentation, et qui guide l'air de suralimentation à partir du compresseur jusqu'au moteur, caractérisé en ce qu'il est prévu un compresseur additionnel (18) qui produit de l'air extérieur comprimé, lequel peut être amené en fonction des besoins au système de
canalisation d'air (5, 7) en amont du moteur à combus-
tion interne (2), le compresseur additionnel utilisé étant un compresseur (18) déjà présent dans le véhicule
à d'autres fins.
2. Equipement moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, au cas o le moteur à combustion interne (2) est un moteur Otto, il est prévu un dispositif d'épuration de gaz d'échappement comprenant un catalyseur (15) installé en aval de la turbine (12) dans un conduit d'échappement (13), et une alimentation d'air secondaire (17), pouvant être mise en service conjointement avec l'équipement moteur (1) et possédant un ventilateur d'air secondaire (18), pouvant être mis en service conjointement avec l'équipement moteur, qui amène de l'air extérieur en fonction des besoins et à travers un conduit d'air secondaire (21) au conduit d'échappement (13) en amont du catalyseur (15), le ventilateur d'air secondaire étant utilisé en tant que compresseur additionnel (18), et avec prévision de moyens formant soupape (24) qui, i I en fonction des besoins, amènent l'air extérieur comprimé, produit par le compresseur additionnel (18), au système de canalisation d'air (5, 6) ou au conduit
d'échappement (13).
3. Equipement moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le compresseur additionnel (18) est monté en amont du compresseur (4), parallèlement à un conduit d'air extérieur (5) amenant l'air extérieur au compresseur (4), avec raccordement au conduit d'air extérieur (5), à un premier point de raccordement (19), d'un conduit d'amenée (20) qui amène de l'air extérieur à partir du conduit d'air extérieur (5) au compresseur additonnel (18), avec raccordement au conduit d'air extérieur (5), à un second point de raccordement (23) situé en aval du premier point de raccordement (19), d'un conduit de retour (22) qui introduit de l'air extérieur comprimé dans le conduit d'air extérieur, et avec installation dans le conduit d'air extérieur (5), entre les points de raccordement (19 et 23), d'une soupape antiretour (25) qui empêche un reflux à partir du second point de raccordement (23) vers le premier point de raccordement (19) à travers le
conduit d'air extérieur (5).
4. Equipement moteur selon la revendication 2 ou selon la revendication 3 dans la mesure o elle se rapporte à la revendication 2, caractérisé en ce que, dans le cas d'un équipement moteur (1) possédant un volet d'étranglement (9) dans un conduit d'air de suralimentation (7) guidant l'air de suralimentation à partir du compresseur (4) jusqu'au moteur à combustion interne (2), les moyens formant soupape (24) sont disposés dans le conduit d'air secondaire (21), le volet (9) produisant l'étranglement de l'air de suralimentation pour l'alimentation du catalyseur (15)
en air extérieur comprimé.
5. Equipement moteur selon une des revendica-
tions 1 à 4, caractérisé en ce que, dans le cas d'un
équipement moteur (1) déterminant la quantité de carbu-
rant amenée au moteur à combustion interne (2) en fonc-
tion d'une quantité d'air amenée au moteur (2), mesurée
au moyen d'un organe de mesure d'air (11), l'air exté-
rieur comprimé produit par le compresseur additionnel (18), est introduit dans le système de canalisation
d'air (5, 7) en amont de l'organe de mesure d'air (11).
6. Equipement moteur selon une des revendica-
tions 1 à 5, caractérisé en ce que l'air extérieur com-
primé produit par le compresseur additionnel (18), est introduit dans le système de canalisation d'air (5, 7)
en amont du compresseur (4).
7. Equipement moteur selon une des revendica-
tions 1 à 6, caractérisé en ce que l'air extérieur com-
primé, produit par le compresseur additionnel (18), est amené au système de canalisation d'air (5, 7) en cas de pleine charge alors que le moteur à combustion interne
(2) tourne dans une plage de basse vitesse de rotation.
8. Equipement moteur selon une des revendica-
tions 1 à 7, caractérisé en ce que le compresseur addi-
tionnel (18) charge d'air extérieur un réservoir et que
l'air extérieur comprimé, ainsi produit par le compres-
seur additionnel (18), est amené selon les besoins, à partir de ce réservoir, au système de canalisation (5, 7).
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