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EP3303798A1 - Ensemble moteur turbocompressé a deux conduits d'échappement et vanne de régulation - Google Patents

Ensemble moteur turbocompressé a deux conduits d'échappement et vanne de régulation

Info

Publication number
EP3303798A1
EP3303798A1 EP16733644.5A EP16733644A EP3303798A1 EP 3303798 A1 EP3303798 A1 EP 3303798A1 EP 16733644 A EP16733644 A EP 16733644A EP 3303798 A1 EP3303798 A1 EP 3303798A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine
exhaust
engine
main expansion
expansion passage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16733644.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Diego Rafael Veiga Pagliari
Arnaud Dupuis
David Roth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PSA Automobiles SA
BorgWarner Inc
Original Assignee
PSA Automobiles SA
BorgWarner Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PSA Automobiles SA, BorgWarner Inc filed Critical PSA Automobiles SA
Publication of EP3303798A1 publication Critical patent/EP3303798A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2006—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating
    • 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
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
    • F02B37/025—Multiple scrolls or multiple gas passages guiding the gas to the pump drive
    • 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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    • F02B37/183—Arrangements of bypass valves or actuators therefor
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F02D41/0007—Controlling intake air for control of turbo-charged or super-charged engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/0047—Controlling exhaust gas recirculation [EGR]
    • F02D41/005—Controlling exhaust gas recirculation [EGR] according to engine operating conditions
    • F02D41/0055—Special engine operating conditions, e.g. for regeneration of exhaust gas treatment apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/021—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine
    • F02D41/0235—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/024—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus
    • F02D41/0255—Introducing corrections for particular conditions exterior to the engine in relation with the state of the exhaust gas treating apparatus to increase temperature of the exhaust gas treating apparatus to accelerate the warming-up of the exhaust gas treating apparatus at engine start
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to an engine assembly for a motor vehicle comprising an internal combustion engine, a turbocharger and an exhaust system comprising two exhaust pipes whose two extensions inside the turbine meet in the turbine.
  • An extension of one of the two exhaust ducts said exhaust duct through the turbine being in exchange for energy with a wheel of the turbine, a control valve being placed in this extension while an extension of the Another of the two ducts said discharge duct passes through the turbine but bypassing the wheel of the turbine.
  • the exhaust system of such a motor assembly is connected to an output of the turbocharged engine, also called supercharged engine, for an exhaust gas exhaust from combustion in the engine, the engine being advantageously but not only a four-stroke gasoline engine.
  • FIG. 1 shows a supercharged gasoline engine assembly according to the closest prior art described in particular in the document WO-A-2009/105463.
  • Such an engine assembly is known under the name VEMB, abbreviation of the English name of "Valve Event Modulated Boost", translated into French by supercharging controlled by motor distribution.
  • VEMB a supercharged gasoline engine assembly
  • EGR line an exhaust gas recirculation line at the engine intake
  • a thermal combustion engine comprises a cylinder block provided with at least one cylinder, preferably several cylinders and an air intake inlet or an air intake manifold for the gasoline air mixture in each cylinder and an exhaust gas outlet resulting from the combustion of the mixture in each cylinder.
  • the output of the engine is connected to an exhaust manifold 5 supplying an exhaust duct 4, 9 exhausting the exhaust gases to the outside.
  • the turbocharged engine comprises a turbine 2 and a compressor 3.
  • the turbine 2 is disposed downstream of the exhaust manifold 5 in the exhaust pipe 4 while the compressor 3 is disposed upstream of the intake manifold. to the engine.
  • the turbine 2 comprises a turbine wheel recovering at least partially a kinetic energy created in the exhaust gas passing therethrough, the rotary member or wheel of the turbine being rotated by the exhaust gases leaving the exhaust manifold .
  • the turbine 2 drives the compressor 3 by being secured to it by an axis, the compressor 3 is traversed by fresh air for supplying air to the engine, air compressor 3 compresses.
  • the air which is then called supercharging air is supplied by the air supply line to a charge air cooler 25 to cool the air leaving the compressor 3.
  • a butterfly valve 26 regulating the flow of air into the air intake manifold of the motor forming the engine air inlet.
  • exhaust gas exhausted from the engine enters the exhaust duct 9 of the motor vehicle after passing through the turbine 2 and Through exhaust gas removal means, for example one or more catalysts, in particular oxidation, reduction or three-way, associated or not with a particulate filter.
  • exhaust gas removal means for example one or more catalysts, in particular oxidation, reduction or three-way, associated or not with a particulate filter.
  • a selective catalytic reduction system or RCS system may also be provided in the exhaust duct 9.
  • EGR line a recirculation line of the exhaust gas to the engine air intake
  • EGR line a line being referenced 1 1 in Figure 1.
  • spark ignition and compression ignition engines to recirculate the exhaust gases to the engine air intake to reduce nitrogen oxide emissions.
  • Such a system is also known by the Anglo-Saxon acronym EGR for "Exhaust Gas Recirculation” which means Recirculation of Exhaust Gas.
  • An EGR line 1 1 has a stitching on the exhaust duct to take a portion of the exhaust gas from the duct and a cooler 23 of the exhaust gas passing through this line 1 1, these gases then being very hot.
  • Line RGE 1 1 opens on the intake of air upstream of the compressor 3 it feeds.
  • a valve 24 called RGE valve equips the line RGE 1 1, advantageously downstream of the cooler 23 RGE, to open or close the flow of gas to the inlet.
  • the thermal combustion engine forming part of the set 1 said supercharging controlled by engine distribution has at least one cylinder, in Figure 1 three cylinders.
  • Each engine cylinder is equipped with an intake valve and two exhaust valves. These exhaust valves are selectively associated with a first or second exit passage in a cylinder and selectively open and close their associated passage.
  • each cylinder It is the same for the intake valve associated with an inlet passage in each cylinder.
  • the two outlet passages of each cylinder which are closed and opened sequentially by their associated exhaust valve open on a different exhaust manifold 5, 7 each supplying a dedicated exhaust duct 4, 6, the two ducts 4, 6 exhaust does not follow the same course as will be detailed below.
  • the first exhaust passage of each cylinder is connected to the first manifold 5 and the second exhaust passage is connected to the second manifold 7.
  • a motor assembly 1 said supercharging controlled by engine distribution therefore comprises a first duct 4 said exhaust turbine 2 leaving a first exhaust manifold 5 and a second duct 6 said discharge from a second exhaust manifold 7, the exhaust manifolds 5, 7 being each respectively connected to one of two sets of first or second exhaust passages provided with their exhaust valves provided for each cylinder.
  • the first conduit 4 leads to an inlet face of the turbine 2 of the turbocharger being extended by a main expansion channel inside the turbine 2 housing a turbine wheel to recover the kinetic energy content. in the exhaust gas passing through it.
  • the second duct 6 bypasses the turbine 2 without entering but joins further downstream of the turbine 2 a third duct 9 connected to an outlet face of the turbine 2 for exhaust gas evacuation of the main flash passage having been in exchange for energy with the turbine wheel, so that there is only one exhaust duct 9 passing through the pollution control elements 10 placed at the end of the exhaust system. It follows that, in such a motor-controlled supercharging engine assembly according to the state of the art, the second duct 6 has no penetrating extension in the turbine 2.
  • the function of the first duct 4 said exhaust duct by turbine is to allow a first flow of exhaust gas to pass through the turbine 2 and its rotary energy recovery member in the form of a wheel to supply power to the compressor 3.
  • the function of the second duct 6 said discharge duct and powered by a second exhaust manifold 7, different and independent of the first exhaust manifold 5 of the first duct 4, is to allow a second flow of exhaust independent and different from the first flow to bypass the turbine 2 and in particular its wheel and thus discharge the turbine 2 of the total flow of exhaust gas by decreasing the flow of exhaust gas therethrough by subtraction of the second ux to the total flow.
  • a discharge valve which may be internal or external to the turbine serves to limit the pressure of the exhaust gas on the turbine wheel of the turbocharger by opening a bypass of the exhaust gas to that they no longer pass through the turbine and its wheel.
  • a limitation of the speed of the wheel the turbine is thus obtained, which also limits the speed of rotation of the wheel provided in the compressor being integral with the impeller of the turbine, thereby also limiting the compression of the intake air.
  • a relief valve associated with a turbine for regulating the flow of exhaust gas therethrough is no longer necessary with a motor-controlled supercharging engine assembly having two exhaust ducts each starting from a collector respective exhaust.
  • Such an engine assembly improves the efficiency of the engine cycle by reducing the engine pumping during the exhaust phase of a four-stroke cycle, which has a favorable impact on the engine consumption. . Better control of the energy recovered by the turbine is therefore performed, which implies better management of the engine load.
  • the problem underlying the invention is to improve a motor assembly said turbocharging engine controlled by two exhaust pipes allowing to have, as required under certain engine operating conditions. , the highest possible gas temperature in the exhaust system downstream of the turbine, by not increasing the size of the exhaust system and minimizing heat losses in the system.
  • an engine assembly comprising an internal combustion engine with at least one cylinder, a turbocharger comprising a turbine and a compressor, and an exhaust system connected to an output of the engine for an exhaust gas exhaust from the combustion in the engine, the exhaust system comprising a first exhaust duct by the turbine leaving a first exhaust manifold and a second duct said discharge starting a second exhaust manifold, the turbine being provided with a casing having a main expansion passage in which is housed a turbine wheel and the first duct opening into the main relief passage through an inlet face of the casing , characterized in that the second conduit opens through the inlet face of the casing in at least one internal bypass portion to the casing bypassing the main passage the main relief passage and said at least one branch portion joining to an exit face of the housing, the main relief passage comprising inside the turbine, an exhaust gas flow control valve passing through it.
  • the technical effect is to obtain a regulation of the gas temperature in the exhaust system downstream of the turbine by a simple and inexpensive means that is a control valve.
  • a simple and inexpensive means that is a control valve.
  • the exhaust gas flow control valve is controllable to regulate the entire gas flow in the entire range between 0% and 100%.
  • 0% closed valve
  • This valve can also be partially closed, by blocking x% of the flow, x can take any value above 0% and less than 100%. Its piloting controls the operation of the turbine.
  • the exhaust system comprises a third duct outside the turbine and connected to the outlet face of the turbine casing for exhaust gas discharge out of the turbine.
  • control valve is provided with an actuator moving it between at least a first closed position of the main expansion passage with a zero flow in the main relief passage and a second full opening position of the passage.
  • main relaxation with maximum flow in the main relaxation passage.
  • the actuator moves the regulating valve in intermediate opening positions corresponding to different flow rates in the main expansion passage according to the degree of opening corresponding to each respective intermediate position.
  • control valve is in the form of a movable disc in translation or in rotation by the actuator.
  • control valve is disposed on at least one outlet end of the main expansion passage at the outlet face of the turbine.
  • the exhaust system comprises, downstream of the turbine, pollution control elements of the exhaust gas passing therethrough.
  • the invention also relates to a heating up process of the pollution control elements in such a motor assembly, wherein, the pollution control elements requiring to be heated in order to acquire a predetermined minimum temperature to ensure the depollution treatment.
  • the regulating valve of the main expansion passage maintains the flow of exhaust gas in the main expansion passage at a zero or reduced value until said minimum temperature is reached.
  • a suspensive condition for maintaining the flow of exhaust gas passing through the first duct to a zero or reduced value is that the air intake pressure of the engine is greater than the atmospheric pressure.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising the motor assembly described above.
  • FIG. 1 is a diagrammatic representation of an engine-controlled supercharged turbocharged engine assembly comprising an exhaust system with two exhaust pipes according to the closest state of the art
  • FIG. 2 is a schematic representation of an engine assembly comprising an exhaust system with two exhaust ducts according to the present invention, the turbine being traversed by the two ducts;
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of a longitudinal section of a turbocharger, the compressor turbine forming part of the exhaust system of the engine unit according to the present invention and FIG. 3a showing an embodiment of the face. inlet of the turbine,
  • FIG. 4 is a diagrammatic representation in perspective of another embodiment of a turbine equipped with a casing, this turbine forming part of the exhaust system of the motor assembly according to the present invention by integrating a valve of regulation,
  • FIGS. 5 and 5a are diagrammatic representations of a view of the outlet face of a turbine provided with a control valve according to FIG. 4, the control valve being shown respectively in the closed position and in the open position; to these figures, this turbine forming part of the exhaust system of the motor assembly according to the present invention
  • FIG. 6 is a diagrammatic representation in perspective of another embodiment of a turbine provided with a casing, this turbine forming part of the exhaust system of the motor assembly according to the present invention and incorporating a valve of regulation,
  • FIGS. 7 and 7a are diagrammatic representations of a view of the exit face of a turbine provided with a control valve according to FIG. 6, the regulation valve being shown respectively in the closed position and in the open position; in these figures, this turbine forming part of the exhaust system according to the present invention.
  • the figures are given by way of examples and are not limiting of the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate the understanding of the invention and are not necessarily at the scale of practical applications. In particular, the dimensions of the various elements illustrated are not representative of reality. Figure 1 has already been described in the introductory part of this patent application.
  • downstream and upstream are to be taken in the direction of the flow of exhaust gas out of the engine or again to the engine inlet for the recirculation line, an element in the system. exhaust system downstream of the engine being further away from the engine than another element upstream of the element.
  • the engine assembly includes the engine as well as its auxiliaries for the intake of air into the engine and for the exhaust of gases out of the engine, a turbocharger also forming part of the engine assembly, the turbine being included in the exhaust system of the engine assembly.
  • the engine assembly 1 comprises an internal combustion engine with at least one cylinder and a turbocharger comprising a turbine 2 and a compressor 3.
  • the turbine 2 comprises a wheel recovering at least partially the kinetic energy of the gases passing through it and transmits this energy to the compressor 3.
  • the turbocharger is provided with an axis connecting the wheel of the turbine 2 to a wheel in the compressor 3, this member ensuring the compression of the air passing through the compressor 3.
  • This axis can be lubricated , cooled by water and / or oil and installed on bearings with or without bearings.
  • This axis may also be equipped with an electrical assistance, either directly on the axis, or with the help of gears, for example a transmission or a gearbox.
  • the exhaust system is connected to an output of the engine for exhaust gas exhaust from combustion in the engine and comprises a first duct 4 said exhaust turbine 2 from a first collector 5 exhaust and a second duct 6 said discharge from a second exhaust manifold 7.
  • the first and second manifolds 5, 7 are connected to the output of the internal combustion engine to ensure the channeling of the exhaust gases through the first and second conduits 4, 6.
  • the engine cylinder or each cylinder of the engine can present at its output two exit passages closed by a respective exhaust valve but this is not mandatory.
  • the two exhaust manifolds 5, 7 may be close to each other to be connected to the turbine 2, for example by the same exhaust manifold connection flange with a flange provided on a housing 2c of turbine 2, the housing 2c being particularly visible in Figures 3 and 6.
  • the exhaust manifolds 5, 7 may be cooled by a cooling liquid, in particular water, the liquid flowing in a cooling circuit being common or not common to the two collectors 5, 7.
  • the cooling circuit or circuits may also be used for cooling the inside of the turbine 2.
  • the turbine 2 of the turbocharger is integrated in a casing 2c having at least one inlet face 2a for the exhaust gases of the first and second ducts 4, 6. penetrating the turbine 2 and an outlet face 2b for the exhaust gas leaving the turbine 2.
  • the turbine 2 has a main relief passage 4 'in which is housed a turbine wheel and the first conduit 4 opens into the passage main relaxation 4 'by the inlet face 2a of the housing 2c.
  • the main relaxation passage 4 ' is particularly visible in Figures 3, 4, 6.
  • the second duct 6 opens through the inlet face 2a of the casing 2c in at least one branch portion 8 internal to the casing 2c bypassing the main relief passage 4 ', the main passage 4 'and said at least one branch portion 8 joining at an outlet face 2b of the casing 2c, the main relief passage 4' comprising, inside the turbine 2, a flow control valve 13 exhaust gas flowing through it.
  • a branch portion 8 extending the second duct 6 is integrated in the turbine 2 but is not in exchange for kinetic energy with the wheel of the turbine 2, which provides a discharge effect of the turbine 2 even more effective than the discharge effect obtained with a relief valve.
  • the control valve 13 advantageously allows to reduce and / or close the flow in the main relief passage 4 'extending the first duct 4 said exhaust in the turbine 2 and therefore to increase the temperature of the gases after joining the extensions in the turbine of the first and second ducts 4, 6 that are respectively the main relief passage 4 'and said at least one branch portion.
  • Crossing the turbine 2 by the extension 4 ', 8 respectively of the two ducts 4, 6 exhaust also provides better thermal insulation of the second conduit 6 in the state of the art.
  • the shortening of the second duct 6 obtained by the passage of the turbine 2 contributes to reducing the temperature loss of the gases passing through the second duct 6.
  • a secondary advantage of the exhaust system of the engine assembly 1 according to the present invention since a bypass portion 8 extending the second duct 6 is integrated in the turbine 2, is to reduce the size of the exhaust system and reduce the expenditure material for the second conduit 6, the junction of the extension of the first and second conduits 4, 6 being in the turbine 2 and not after the turbine 2, resulting in a shortening of the length the second conduit 6 which does not have to have a length allowing it to bypass the turbine 2.
  • the main passage of relaxation 4 'and said at least one branch portion 8 respectively extending the first and second conduits 4, 6 can lead to the same level of the turbine 2 to the outlet face 2b of the housing 2c.
  • the exhaust system may comprise a third duct 9 outside the turbine 2 and connected to the outlet face 2b of the turbine casing 2c for exhaust gas discharge out of the turbine 2.
  • the turbine 2 thus comprises an inlet face 2a for the exhaust gases of the first and second conduits 4, 6 entering through their extensions 4 ', 8 in the turbine 2 and an outlet face 2b externally connected to the third duct 9 external to the turbine 2.
  • the main relief passage 4 'inside the turbine 2 is provided with a control valve 13.
  • This control valve 13 can be advantageously close to the face outlet 2b of the turbine 2 by closing or selectively opening an outlet end 4b of the main expansion passage 4 ', thus being on the main expansion passage 4' after the wheel of the turbine 2.
  • control valve 13 may be provided with an actuator 15 moving between at least a first closed position of the main passage of relaxation 4 'with a zero flow in the main relief passage 4' and a second full open position of the main relief passage 4 'with a maximum flow in the main relief passage 4'.
  • the zero flow in the main expansion channel 4 ' may correspond to a heating demand of the pollution control elements 10 while the maximum flow rate in the main expansion passage 4' may correspond to a maximum power demand to the compressor 3 of the turbocharger.
  • the actuator 15 can also move the control valve 13 in intermediate positions of opening corresponding to different flow rates in the main channel of relaxation 4 'according to the degree of opening corresponding to each respective intermediate position.
  • control valve 13 may be in the form of a mobile disk in translation or in rotation by the actuator 15.
  • a mobile disk rotating as a regulation valve 13 is shown in particular in FIGS. 5, 5a, 7 and 7a.
  • the branch portion 8 extending the second conduit 6 may have an outlet end 8b and the main passage of relaxation 4 first lead 4 may have an output end 4b , the two output ends 4b, 8b opening near the outlet face 2b of the turbine 2, that is to say upstream of this outlet face 2b in the turbine 2.
  • the third conduit 9 further comprises downstream of the outlet face 2b of the casing 2c of the turbine 2 elements depollution 10 of the exhaust gas therethrough, these depollution elements 10 having been mentioned previously.
  • FIGS. 3, 3a, 4, 5 and 5a show a single outlet end 8b for a branch portion 8 while FIGS. 6, 7a and 7b show several outlet ends 8b for one or more branch portions 8.
  • the main expansion channel 4 'extending the first duct 4 may also have an outlet end 4b at the place where the main relief passage 4' and the branch portion or portions 8 are joined.
  • the outlet end 4b of the main expansion channel 4 ' may have a larger section than the section of the or an outlet end 8b of the at least one branch portion 8, but this is not mandatory.
  • the outlet end 4b of the main relief passage 4 ' is advantageously of circular section, which is however not limiting.
  • the at least one branch portion 8 may comprise at least two output ends 8b. This is illustrated in particular in Figures 6, 7 and 7a. Multiple outlet ends 8b for the bypass portion 8 extending the second discharge duct 6 may be in a plane parallel to or coincident with that of the outlet face 2b of the turbine 2.
  • the two or more output ends 8b of a bypass portion 8 may be adjacent to each other in the turbine 2, which which is not shown in the figures.
  • the two exit ends 8b of the at least one branch portion 8 may be uniformly distributed on an outlet disk disposed around the outlet end 4b of the main relaxation channel 4 'then being in the center of the disc, which is shown in Figures 6, 7a and 7b.
  • the two or more output ends 8b of said at least one branch portion 8 may open radially or axially with respect to the outlet end 4b of the first duct 4.
  • a radial outlet with a uniform distribution allows a optimization of the configuration of the casing 2c and associated turbine 2 as well as an optimization of the turbulence in the outlet face 2b of the casing 2c of the turbine 2.
  • the two or more output ends 8b of the at least one branch portion 8 may be at least three in number, all opening radially or axially or a portion of the exit ends 8b opening radially with a complementary portion of the other output ends 8b opening axially. This is shown in Figures 6, 7 and 7a.
  • an optimized form for the optimization of the turbine assembly 2 and its associated casing 2c and the turbulence optimization at the outlet face 2b of the turbine 2 for example a crescent shape, a half-moon shape, a shape oval, square, rectangular, triangular, etc.
  • the output of the engine may comprise, by cylinder, at least one cylinder equipping the engine and advantageously three, first and second output passages closed by a respective exhaust valve, a series of first output passages of the cylinders supplying, via the first outlet manifold 5, the first exhaust duct 4 called turbine exhaust and a series of second outlet passages, via the second outlet manifold 7, supplying the second duct 6 says discharge.
  • the exhaust system comprises, downstream of the turbine 2, elements 10 for removing pollution from the exhaust gas passing through it, this in the third duct 9.
  • These depollution elements 10 need to be heated by being traversed by the hottest possible exhaust gas in order to acquire as quickly as possible a predetermined minimum temperature to ensure the depollution treatment. This is important especially during the period of time following the start of the motor vehicle. It is advantageous to close or reduce the flow of exhaust gas in the main channel of relaxation 4 'extending the first conduit 4, this stream losing a lot of heat in the wheel of the turbine 2 and then being less hot than the flow of the second duct 6 having bypassed the turbine 2.
  • the invention therefore also relates to a heating up process of the pollution control elements 10 in the exhaust system of a motor assembly described above, wherein the control valve 13 maintains the flow of exhaust gas in the main expansion passage 4 'internal to the turbine 2 to a zero or reduced value until said minimum temperature is reached.
  • the engine is greater than the atmospheric pressure. This corresponds to a power demand of the motor unit 1.
  • an EGR line may be connected by a tap 12 to one of the two ducts 4, 6 or to one of their respective extensions in the turbine 2.
  • a stitch 12 of a line RGE 1 1 through the turbine 2 either with the main expansion channel or with at least one branch portion 8 or with both.
  • the turbine 2 may be equipped with a cooling circuit by a cooling liquid in its interior, including water.
  • a cooling liquid in its interior, including water.
  • the cooling circuit can extend inside the casing 2c at least around the entry face 2a and around the wheel of the turbine 2.
  • the coolant flows advantageously over all the hot zones where a risk of melting the material of the casing 2c of the turbine 2 is identified.
  • the flow of the coolant is generally in a single direction by realizing the entire tower of the casing 2c of the turbine 2, mainly in the area of an inlet flange of the turbine 2 and in the area around the wheel of the turbine 2.
  • the cooling circuit can be connected to the cooling circuit of the turbine 2, with an inlet and an outlet of the cooling circuit of the turbine 2 may be on the input face 2a of the turbine 2.
  • the cooling circuit of the turbine 2 is independent of that of each manifold 5, 7 exhaust and is clean. It is also possible for the turbine to be directly connected to the exhaust manifolds 5, 7, the first and second ducts 4, 6 then being integrated in their respective manifolds 5, 7.

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Abstract

L'invention porte sur un ensemble moteur (1) comportant une turbine (2) et un système d'échappement évacuant les gaz du moteur et comprenant un premier conduit (4) partant d'un premier collecteur (5) et un deuxième conduit (6) de décharge partant d'un second collecteur (7), la turbine (2) comportant un carter (2c) l'entourant et une roue de récupération d'énergie, le premier conduit (4) débouchant dans un passage principal de détente logeant la roue. Le deuxième conduit (6) débouche dans au moins une portion de dérivation (8) interne au carter (2c) contournant le passage principal de détente, le passage principal de détente et ladite au moins une portion de dérivation (8) se rejoignant à une face de sortie (2b) du carter (2c), le passage principal de détente comprenant, à l'intérieur de la turbine (2), une vanne de régulation du débit de gaz d'échappement le traversant.

Description

ENSEMBLE MOTEUR TURBOCOMPRESSE A DEUX CONDUITS D'ECHAPPEMENT
ET VANNE DE REGULATION
[0001 ] La présente invention concerne un ensemble moteur pour un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne, un turbocompresseur et un système d'échappement comprenant deux conduits d'échappement dont les deux prolongations à l'intérieur de la turbine se rejoignent dans la turbine. Une prolongation d'un des deux conduits d'échappement dit conduit d'échappement traverse la turbine en étant en échange d'énergie avec une roue de la turbine, une vanne de régulation étant placée dans cette prolongation tandis qu'une prolongation de l'autre des deux conduits dit conduit de décharge traverse la turbine mais en contournant la roue de la turbine.
[0002] Le système d'échappement d'un tel ensemble moteur est raccordé à une sortie du moteur turbocompressé, aussi appelé moteur suralimenté, pour une évacuation de gaz d'échappement issus de la combustion dans le moteur, ce moteur étant avantageusement mais pas uniquement un moteur à essence quatre temps.
[0003] La figure 1 montre un ensemble moteur à essence suralimenté selon l'état de la technique le plus proche décrit notamment dans le document WO-A-2009/105463. Un tel ensemble moteur est connu sous la dénomination VEMB, abréviation de l'appellation anglo-saxonne de « Valve Event Modulated Boost », traduite en français par suralimentation contrôlée par distribution moteur. Ce type d'ensemble moteur sera détaillé après la présentation générale d'un moteur suralimenté classique et d'un moteur équipé d'une ligne de recirculation des gaz d'échappement à l'admission du moteur, aussi appelée ligne RGE.
[0004] En se référant à la figure 1 pour une partie des éléments illustrés à cette figure, un moteur à combustion thermique comprend un carter cylindres muni d'au moins un cylindre, avantageusement de plusieurs cylindres et une entrée d'admission d'air ou collecteur d'admission d'air pour le mélange air essence dans chaque cylindre ainsi qu'une sortie de gaz d'échappement résultant de la combustion du mélange dans chaque cylindre. La sortie du moteur est reliée à un collecteur d'échappement 5 alimentant un conduit d'échappement 4, 9 évacuant les gaz d'échappement vers l'extérieur.
[0005] Le fait que deux collecteurs d'échappement 5, 7 avec chacun un conduit d'échappement associé 4, 6 soient montrés pour l'ensemble moteur à la figure 1 n'est pas applicable à tout ensemble moteur turbocompressé, un tel moteur ne comprenant généralement qu'un seul collecteur 5 et un seul conduit d'échappement 4, 9 qui passe par une turbine 2.
[0006] Le moteur turbocompressé comprend une turbine 2 et un compresseur 3. La turbine 2 est disposée en aval du collecteur 5 d'échappement dans le conduit d'échappement 4 tandis que le compresseur 3 est disposé en amont du collecteur d'admission d'air au moteur. La turbine 2 comprend une roue de turbine récupérant au moins partiellement une énergie cinétique créée dans les gaz d'échappement le traversant, l'organe rotatif ou roue de la turbine étant mis en rotation par les gaz d'échappement quittant le collecteur d'échappement. La turbine 2 entraîne le compresseur 3 en étant solidaire de celui-ci par un axe, le compresseur 3 étant traversé par de l'air frais destiné à alimenter en air le moteur, air que le compresseur 3 comprime.
[0007] A la sortie du compresseur 3, l'air qui est alors dénommé air de suralimentation est amené par la ligne d'alimentation en air vers un refroidisseur d'air de suralimentation 25 pour refroidir l'air sortant du compresseur 3. Sur cette ligne est aussi positionnée une vanne papillon 26 régulant le débit d'air dans le collecteur d'admission d'air du moteur formant l'entrée d'air du moteur.
[0008] Du côté de l'échappement de l'ensemble moteur 1 , à la sortie de la turbine 2, les gaz d'échappement évacués du moteur pénètrent dans le conduit d'échappement 9 du véhicule automobile après avoir traversé la turbine 2 puis traversent des moyens de dépollution 10 des gaz d'échappement, par exemple un ou des catalyseurs, notamment d'oxydation, de réduction ou trois voies associés ou non avec un filtre à particules. Un système de réduction catalytique sélective ou système RCS peut aussi être prévu dans le conduit d'échappement 9.
[0009] Il est aussi fréquent de munir un ensemble moteur d'une ligne de recirculation des gaz d'échappement à l'admission d'air du moteur, aussi dénommée ligne RGE, une telle ligne étant référencée 1 1 à la figure 1 . Il est en effet connu pour des moteurs thermiques à allumage commandé et à allumage par compression de faire recirculer les gaz d'échappement vers l'admission d'air du moteur thermique pour réduire les émissions d'oxydes d'azote. Un tel système est aussi connu sous l'acronyme anglo-saxon de EGR pour « Exhaust Gas recirculation » ce qui signifie Recirculation des Gaz à l'Echappement.
[0010] Une ligne RGE 1 1 présente un piquage sur le conduit d'échappement pour prélever une partie des gaz d'échappement de ce conduit ainsi qu'un refroidisseur 23 des gaz d'échappement traversant cette ligne 1 1 , ces gaz étant alors très chauds. La ligne RGE 1 1 débouche sur l'admission d'air en amont du compresseur 3 qu'elle alimente. Une vanne 24 dite vanne RGE équipe la ligne RGE 1 1 , avantageusement en aval du refroidisseur 23 RGE, afin d'ouvrir ou de fermer la circulation des gaz vers l'admission.
[001 1 ] Pour tout type de ligne RGE 1 1 , la recirculation des gaz d'échappement vers l'admission d'air du moteur thermique permet d'améliorer le rendement thermodynamique du moteur du fait de la réduction des transferts thermiques grâce à la réintroduction de gaz recyclés par la ligne RGE 1 1 dans le collecteur d'admission. Une telle recirculation peut permettre aussi une diminution de l'enrichissement lié à la température d'échappement et une diminution des pertes par pompage quand le moteur est associé à un turbocompresseur.
[0012] En ce qui concerne la diminution des pertes par pompage, ceci n'a pas donné entièrement satisfaction et les phénomènes de pompage perdurent toujours dans la turbine 2. Il a été proposé d'utiliser une soupape de décharge à l'intérieur de la turbine. Il a alors été proposé un système d'échappement pour un ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur à deux conduits d'échappement comme montré à la figure 1 .
[0013] Le moteur à combustion thermique faisant partie de l'ensemble 1 dit à suralimentation contrôlée par distribution moteur présente au moins un cylindre, à la figure 1 trois cylindres. Chaque cylindre du moteur est muni d'une soupape d'admission et de deux soupapes d'échappement. Ces soupapes d'échappement sont associées sélectivement à un premier ou à un second passage de sortie dans un cylindre et ouvrent et ferment sélectivement leur passage associé.
[0014] Il en va de même pour la soupape d'admission associée à un passage d'entrée dans chaque cylindre. Les deux passages de sortie de chaque cylindre qui sont fermés et ouverts séquentiellement par leur soupape d'échappement associée débouchent sur un collecteur 5, 7 d'échappement différent alimentant chacun un conduit 4, 6 d'échappement dédié, les deux conduits 4, 6 d'échappement ne suivant pas le même parcours comme il va être détaillé ci-après. Le premier passage d'échappement de chaque cylindre est relié au premier collecteur 5 et le second passage d'échappement est relié au second collecteur 7.
[0015] Un ensemble moteur 1 dit à suralimentation contrôlée par distribution moteur comprend donc un premier conduit 4 dit d'échappement par la turbine 2 partant d'un premier collecteur 5 d'échappement et un deuxième conduit 6 dit de décharge partant d'un second collecteur 7 d'échappement, les collecteurs 5, 7 d'échappement étant reliés chacun respectivement à une des deux séries de premiers ou seconds passages d'échappement munies de leurs soupapes d'échappement fournies pour chaque cylindre.
[0016] Le premier conduit 4 aboutit à une face d'entrée de la turbine 2 du turbocompresseur en étant prolongé par un passage principal de détente à l'intérieur de la turbine 2 logeant une roue de turbine permettant de récupérer l'énergie cinétique contenue dans les gaz d'échappement le traversant. Le deuxième conduit 6 contourne la turbine 2 sans y pénétrer mais rejoint plus en aval de la turbine 2 un troisième conduit 9 connecté à une face de sortie de la turbine 2 pour l'évacuation des gaz d'échappement du passage principal de détente ayant été en échange d'énergie avec la roue de turbine, afin qu'il n'existe qu'un seul et unique conduit 9 d'échappement traversant des éléments de dépollution 10 placés en fin de système d'échappement. Il s'ensuit que, dans un tel ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur selon l'état de la technique, le deuxième conduit 6 n'a pas de prolongation pénétrant dans la turbine 2. [0017] La fonction du premier conduit 4 dit conduit d'échappement par turbine est de permettre à un premier flux de gaz d'échappement de traverser la turbine 2 et son organe rotatif récupérateur d'énergie sous forme d'une roue pour fournir de la puissance au compresseur 3. La fonction du deuxième conduit 6 dit conduit de décharge et alimenté par un second collecteur 7 d'échappement, différent et indépendant du premier collecteur 5 d'échappement du premier conduit 4, est de permettre à un second flux de gaz d'échappement indépendant et différent du premier flux de contourner la turbine 2 et notamment sa roue et donc de décharger la turbine 2 du flux total de gaz d'échappement en diminuant le débit de gaz d'échappement la traversant par soustraction du second flux au flux total. [0018] Ceci permet de décharger et/ou contrôler la puissance de la turbine, comme le ferait en condition de fonctionnement classique de régulation de la charge moteur une soupape de décharge, élément connu précédemment de l'état de la technique pour un moteur turbocompressé. Cela permet notamment d'éviter le phénomène de pompage du moteur consistant essentiellement à un retour des gaz chauds vers l'entrée d'air d'admission.
[0019] Pour un moteur turbocompressé classique, une soupape de décharge qui peut être interne ou externe à la turbine sert à limiter la pression des gaz d'échappement sur la roue de la turbine du turbocompresseur en ouvrant une dérivation des gaz d'échappement afin qu'ils ne passent plus par la turbine et sa roue. Une limitation de la vitesse de la roue de la turbine est donc obtenue, ce qui limite aussi la vitesse de rotation de la roue prévue dans le compresseur en étant solidaire de la roue de la turbine, d'où aussi une limitation de la compression de l'air d'admission.
[0020] Une soupape de décharge associée à une turbine pour la régulation du flux de gaz d'échappement la traversant n'est plus nécessaire avec un ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur présentant deux conduits d'échappement partant chacun d'un collecteur d'échappement respectif.
[0021 ] Ainsi, un tel ensemble moteur permet d'améliorer l'efficacité du cycle moteur par la réduction du pompage moteur pendant la phase d'échappement d'un cycle quatre- temps, ce qui a des répercussions favorables sur la consommation du moteur. Un meilleur contrôle de l'énergie récupérée par la turbine est donc effectué, ce qui implique une meilleure gestion de la charge du moteur.
[0022] L'inconvénient d'un tel ensemble moteur est la longueur du deuxième conduit 6 dit conduit de décharge, ce qui complexifie l'intégration du système d'échappement d'un tel ensemble sur la façade échappement du moteur, l'espace disponible étant très réduit sur cette façade.
[0023] Ceci faisant, il est obtenu après jonction du deuxième conduit 6 avec le troisième conduit d'échappement 9 évacuant les gaz d'échappement de la turbine 2 une température plus élevée des gaz d'échappement que celle des gaz d'échappement passant uniquement par la turbine 2, le flux de gaz d'échappement traversant le deuxième conduit 6 perdant nettement moins de degrés de température que le flux de gaz traversant la turbine par le passage principal de détente logeant la roue récupératrice d'énergie de la turbine 2.
[0024] Ceci peut être cumulé avec d'autres avantages, notamment en ce qui concerne la décharge et/ou le contrôle de la puissance de la turbine, comme le ferait en condition de fonctionnement classique de régulation de la charge moteur une soupape de décharge, élément connu précédemment de l'état de la technique pour un moteur turbocompressé classique. Cela permet notamment d'éviter le phénomène de pompage du moteur consistant essentiellement à un retour des gaz chauds vers l'entrée d'air d'admission. [0025] Cependant le gain de température dans les éléments de dépollution n'est pas assez important pour éviter une longue durée de chauffe des éléments de dépollution des gaz d'échappement se trouvant en aval de la turbine. [0026] Le document EP-B-1 097 298 décrit un ensemble moteur avec un système d'échappement reprenant essentiellement toutes les caractéristiques précédemment mentionnées pour un ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur. Dans ce document, il est prévu au moins une vanne de régulation sur le premier conduit, la vanne pouvant être disposée en amont de la turbine ou en aval de la turbine mais toujours à l'extérieur de la turbine.
[0027] Cependant, une telle disposition de la vanne extérieure à la turbine crée des pertes de chaleur des gaz d'échappement dans le premier conduit tout en augmentant l'encombrement du système d'échappement d'autant plus que le deuxième conduit est forcé de contourner la turbine pour se joindre au premier conduit. Il s'ensuit aussi une perte de chaleur des gaz d'échappement dans le deuxième conduit dû à la longueur de celui-ci, ce qui est préjudiciable à l'obtention de gaz d'échappement les plus chauds possibles en zone de sortie de système d'échappement, cette zone de sortie intégrant les éléments de dépollution du système d'échappement. [0028] Par conséquent, le problème à la base de l'invention est d'améliorer un ensemble moteur dit à suralimentation contrôlée par distribution moteur à deux conduits d'échappement en permettant d'avoir, comme nécessitée dans certaines conditions de fonctionnement du moteur, une température la plus élevée possible des gaz dans le système d'échappement en aval de la turbine, ceci en n'augmentant pas l'encombrement du système d'échappement et en minimisant les pertes de chaleur dans le système.
[0029] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un ensemble moteur comprenant un moteur à combustion interne avec au moins un cylindre, un turbocompresseur comportant une turbine et un compresseur, et un système d'échappement raccordé à une sortie du moteur pour une évacuation de gaz d'échappement issus de la combustion dans le moteur, le système d'échappement comprenant un premier conduit dit d'échappement par la turbine partant d'un premier collecteur d'échappement et un deuxième conduit dit de décharge partant d'un second collecteur d'échappement, la turbine étant munie d'un carter présentant un passage principal de détente dans lequel est logée une roue de turbine et le premier conduit débouchant dans le passage principal de détente par une face d'entrée du carter, caractérisé en ce que le deuxième conduit débouche par la face d'entrée du carter dans au moins une portion de dérivation interne au carter contournant le passage principal de détente, le passage principal de détente et ladite au moins une portion de dérivation se rejoignant à une face de sortie du carter, le passage principal de détente comprenant, à l'intérieur de la turbine, une vanne de régulation du débit de gaz d'échappement le traversant.
[0030] L'effet technique est d'obtenir une régulation de la température des gaz dans le système d'échappement en aval de la turbine par un moyen simple et peu coûteux qu'est une vanne de régulation. Dans le cas particulier et non limitatif de l'amélioration du temps de chauffe d'éléments de dépollution se trouvant en aval de la turbine dans le système d'échappement, comme le débit est réduit par la vanne de régulation dans le premier conduit traversant la roue de la turbine, la proportion de gaz d'échappement détendus dans la roue est plus faible et les gaz traversant les éléments de dépollution après la jonction des premier et deuxième conduits n'ont pas majoritairement été détendus et donc gardent une température élevée.
[0031 ] Ceci est particulièrement valable pour des conditions de fonctionnement de l'ensemble moteur en bas régime moteur et en faible charge moteur correspondant à une pression plénum demandée par un contrôle moteur inférieure à la pression atmosphérique. Il peut cependant être facilement procédé à une nouvelle ouverture de la vanne de régulation dans le premier conduit et à un retour rapide à un fonctionnement dans lequel une grande partie des gaz d'échappement traverse la turbine et son organe rotatif. Ceci peut être fait par un contrôle moteur déjà présent dans le véhicule automobile, contrôle moteur qui centralise tous les paramètres de fonctionnement de l'ensemble moteur pour commander une fermeture ou une ouverture de la vanne de régulation en conséquence.
[0032] Le fait d'empêcher les gaz d'échappement de traverser la turbine via la roue de turbine dans le passage principal de détente prolongeant le premier conduit va considérablement réduire les pertes thermiques des gaz d'échappement dans la turbine. Au moins peu de gaz d'échappement ou même aucune portion de gaz d'échappement ne passera alors par le passage principal à l'intérieur de la roue en étant en contact avec une grande surface d'échange thermique représentée par la surface interne de la roue de la turbine, d'où une perte de température des gaz d'échappement diminuée. Avec une vanne de régulation fermée ou partiellement fermée, au moins une majeure partie des gaz d'échappement après la jonction des prolongations dans la turbine des premier et deuxième conduits n'aura pas subi de phénomène de détente dans la roue de la turbine avec diminution de la température et de la pression.
[0033] [0034] De préférence, la vanne de régulation du débit de gaz d'échappement est pilotable pour réguler la totalité du débit de gaz dans toute la plage entre 0% et 100%. Le fait qu'on puisse ainsi réguler l'ensemble du débit des gaz, depuis 0% (vanne fermée) est très avantageux, car elle autorise d'aller jusqu'à l'arrêt de la turbine : on peut ainsi obtenir une température de gaz d'échappement plus élevée, ce qui peut permettre d'activer plus vite les organes de post-traitement des gaz d'échappement ayant recours à des catalyseurs (catalyseur d'oxydation des HC et CO, catalyseur de réduction des NOx...) tout particulièrement en phase de démarrage. [0035] Cette vanne peut aussi être partiellement fermée, en venant bloquer x % du débit, x pouvant prendre toute valeur au-dessus de 0% et inférieur à 100%. Son pilotage commande le fonctionnement de la turbine.
[0036] Avantageusement, le système d'échappement comprend un troisième conduit extérieur à la turbine et relié à la face de sortie du carter de turbine pour l'évacuation des gaz d'échappement hors de la turbine.
[0037] Avantageusement, la vanne de régulation est munie d'un actionneur la déplaçant entre au moins une première position de fermeture du passage principal de détente avec un débit nul dans le passage principal de détente et une seconde position d'ouverture complète du passage principal de détente avec un débit maximal dans le passage principal de détente.
[0038] Avantageusement, l'actionneur déplace la vanne de régulation dans des positions intermédiaires d'ouverture correspondant à des débits différents dans le passage principal de détente selon le degré d'ouverture correspondant à chaque position intermédiaire respective.
[0039] Avantageusement, la vanne de régulation est sous la forme d'un disque mobile en translation ou en rotation par l'actionneur.
[0040] Avantageusement, la vanne de régulation est disposée sur au moins une extrémité de sortie du passage principal de détente à la face de sortie de la turbine.
[0041 ] Avantageusement, le système d'échappement comporte, en aval de la turbine, des éléments de dépollution des gaz d'échappement le traversant. [0042] L'invention concerne aussi un procédé de montée en chauffe des éléments de dépollution dans un tel ensemble moteur, dans lequel, les éléments de dépollution nécessitant d'être chauffés afin d'acquérir une température minimale prédéterminée pour assurer le traitement de dépollution, la vanne de régulation du passage principal de détente maintient le débit de gaz d'échappement dans le passage principal de détente à une valeur nulle ou réduite tant que ladite température minimale n'est pas atteinte.
[0043] Avantageusement, une condition suspensive de maintien du débit de gaz d'échappement traversant le premier conduit à une valeur nulle ou réduite est que la pression en admission d'air du moteur soit supérieure à la pression atmosphérique. [0044] L'invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant l'ensemble moteur décrit précédemment.
[0045] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d'un ensemble moteur turbocompressé à suralimentation contrôlée par distribution moteur comprenant un système d'échappement à deux conduits d'échappement selon l'état de la technique le plus proche,
- la figure 2 est une représentation schématique d'un ensemble moteur comprenant un système d'échappement à deux conduits d'échappement selon la présente invention, la turbine étant traversée par les deux conduits,
- la figure 3 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale d'un turbocompresseur, la turbine du compresseur faisant partie du système d'échappement de l'ensemble moteur selon la présente invention et la figure 3a montre un mode de réalisation de la face d'entrée de la turbine,
- la figure 4 est une représentation schématique en perspective d'un autre mode de réalisation d'une turbine munie d'un carter, cette turbine faisant partie du système d'échappement de l'ensemble moteur selon la présente invention en intégrant une vanne de régulation,
- les figures 5 et 5a sont des représentations schématiques d'une vue de la face de sortie d'une turbine munie d'une vanne de régulation conformément à la figure 4, la vanne de régulation étant montrée respectivement en position fermée et en position ouverte à ces figures, cette turbine faisant partie du système d'échappement de l'ensemble moteur selon la présente invention, - la figure 6 est une représentation schématique en perspective d'un autre mode de réalisation d'une turbine munie d'un carter, cette turbine faisant partie du système d'échappement de l'ensemble moteur selon la présente invention et intégrant une vanne de régulation,
- les figures 7 et 7a sont des représentations schématiques d'une vue de la face de sortie d'une turbine munie d'une vanne de régulation conformément à la figure 6, la vanne de régulation étant montrée respectivement en position fermée et en position ouverte à ces figures, cette turbine faisant partie du système d'échappement selon la présente invention. [0046] Il est à garder à l'esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l'invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité. [0047] La figure 1 a déjà été décrite dans la partie introductive de la présente demande de brevet.
[0048] Dans ce qui suit les mots aval et amont sont à prendre dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement hors du moteur ou à nouveau vers l'entrée du moteur pour la ligne de recirculation, un élément dans le système d'échappement en aval du moteur étant plus éloigné du moteur qu'un autre élément se trouvant en amont de l'élément. Ce qui est appelé ensemble moteur comprend le moteur thermique de même que ses auxiliaires pour l'admission d'air dans le moteur et pour l'échappement des gaz hors du moteur, un turbocompresseur faisant aussi partie de l'ensemble moteur, la turbine étant comprise dans le système d'échappement de l'ensemble moteur. [0049] En se référant à toutes les figures sauf la figure 1 et notamment à la figure 2, il est montré un ensemble moteur la présente invention qui reprend certaines des caractéristiques d'un ensemble moteur de l'état de la technique le plus proche.
[0050] L'ensemble moteur 1 comprend un moteur à combustion interne avec au moins un cylindre et un turbocompresseur comportant une turbine 2 et un compresseur 3. La turbine 2 comprend une roue récupérant au moins partiellement l'énergie cinétique des gaz le traversant et transmet cette énergie au compresseur 3. [0051 ] Pour cela, le turbocompresseur est muni d'un axe reliant la roue de la turbine 2 à une roue se trouvant dans le compresseur 3, cet organe assurant la compression de l'air traversant le compresseur 3. Cet axe peut être lubrifié, refroidi par eau et/ou huile et installé sur des paliers avec ou sans roulements. Cet axe pourra également être équipé d'une assistance électrique, soit directement sur l'axe, soit à l'aide d'engrenages, par exemple une transmission ou une boîte de vitesses.
[0052] Le système d'échappement est raccordé à une sortie du moteur pour une évacuation de gaz d'échappement issus de la combustion dans le moteur et comprend un premier conduit 4 dit d'échappement par la turbine 2 partant d'un premier collecteur 5 d'échappement et un deuxième conduit 6 dit de décharge partant d'un second collecteur 7 d'échappement. Les premier et second collecteurs 5, 7 sont reliés à la sortie du moteur à combustion interne pour assurer la canalisation des gaz d'échappement par les premier et deuxième conduits 4, 6. Le cylindre du moteur ou chaque cylindre du moteur peut présenter à sa sortie deux passages de sortie fermés par une soupape d'échappement respective mais ceci n'est pas obligatoire.
[0053] Les deux collecteurs d'échappement 5, 7 peuvent être proches l'un de l'autre pour être raccordés à la turbine 2, par exemple par une même bride de raccordement de collecteur d'échappement avec une bride prévue sur un carter 2c de turbine 2, le carter 2c étant notamment visible aux figures 3 et 6. Les collecteurs d'échappement 5, 7 pourront être refroidis par un liquide refroidissement, notamment de l'eau, le liquide circulant dans un circuit de refroidissement étant commun ou non commun aux deux collecteurs 5, 7. Le ou les circuits de refroidissement pourront également servir au refroidissement de l'intérieur de la turbine 2.
[0054] En aval de la turbine 2, de manière connue, il est prévu sur un troisième conduit d'échappement 9 externe à la turbine avec des éléments de dépollution 10 qu'il convient de porter et de maintenir à une température minimale de fonctionnement.
[0055] En regard notamment des figures 2, 3, 4 et 6, la turbine 2 du turbocompresseur est intégrée dans un carter 2c présentant au moins une face d'entrée 2a pour les gaz d'échappement des premier et deuxième conduits 4, 6 pénétrant dans la turbine 2 et une face de sortie 2b pour les gaz d'échappement quittant la turbine 2. La turbine 2 présente un passage principal de détente 4' dans lequel est logée une roue de turbine et le premier conduit 4 débouche dans le passage principal de détente 4' par la face d'entrée 2a du carter 2c. Le passage principal de détente 4' est notamment visible aux figures 3, 4, 6. [0056] Ainsi, conformément à la présente invention, le deuxième conduit 6 débouche par la face d'entrée 2a du carter 2c dans au moins une portion de dérivation 8 interne au carter 2c contournant le passage principal de détente 4', le passage principal de détente 4' et ladite au moins une portion de dérivation 8 se rejoignant à une face de sortie 2b du carter 2c, le passage principal de détente 4' comprenant, à l'intérieur de la turbine 2, une vanne de régulation 13 du débit de gaz d'échappement le traversant.
[0057] Ainsi, une portion de dérivation 8 prolongeant le deuxième conduit 6 est intégrée dans la turbine 2 mais n'est pas en échange d'énergie cinétique avec la roue de la turbine 2, ce qui procure un effet de décharge de la turbine 2 plus efficace encore que l'effet de décharge obtenu avec une soupape de décharge. Enfin, plus le débit est fort dans le deuxième conduit 6 par rapport au débit dans le premier conduit 4 et plus les gaz d'échappement quittant la turbine 2 seront chauds ce qui permet de diminuer le temps de montée en température des éléments de dépollution 10 se trouvant en aval de la turbine.
[0058] La vanne de régulation 13 permet avantageusement de diminuer et/ou de fermer le débit dans le passage principal de détente 4' prolongeant le premier conduit 4 dit d'échappement dans la turbine 2 et donc d'augmenter la température des gaz après jonction des prolongations dans la turbine des premier et deuxième conduits 4, 6 que sont respectivement le passage principal de détente 4' et ladite au moins une portion de dérivation. Faire traverser la turbine 2 par la prolongation 4', 8 respective des deux conduits 4, 6 d'échappement assure aussi une meilleure isolation thermique du deuxième conduit 6 que dans l'état de la technique. Le raccourcissement du deuxième conduit 6 obtenu par la traversée de la turbine 2 concourt à réduire la perte en température des gaz traversant le deuxième conduit 6.
[0059] Un avantage secondaire du système d'échappement de l'ensemble moteur 1 selon la présente invention, du fait qu'une portion de dérivation 8 prolongeant le deuxième conduit 6 soit intégrée dans la turbine 2, est de diminuer l'encombrement du système d'échappement et de réduire la dépense en matière pour le deuxième conduit 6, la jonction des prolongation des premier et deuxième conduits 4, 6 se faisant dans la turbine 2 et non après la turbine 2, d'où un raccourcissement de la longueur du deuxième conduit 6 qui n'a pas à présenter une longueur lui permettant de contourner la turbine 2.
[0060] Le passage principal de détente 4' et ladite au moins une portion de dérivation 8 prolongeant respectivement les premier et deuxième conduits 4, 6 peuvent déboucher au même niveau de la turbine 2 à la face de sortie 2b du carter 2c. Le système d'échappement peut comprendre un troisième conduit 9 extérieur à la turbine 2 et relié à la face de sortie 2b du carter 2c de turbine pour l'évacuation des gaz d'échappement hors de la turbine 2.
[0061 ] Dans le mode de réalisation montré aux figures sauf à la figure 1 , la turbine 2 comprend donc une face d'entrée 2a pour les gaz d'échappement des premier et deuxième conduits 4, 6 pénétrant par leurs prolongations 4', 8 dans la turbine 2 et une face de sortie 2b raccordé extérieurement au troisième conduit 9 externe à la turbine 2.
[0062] Selon une caractéristique de la présente invention, le passage principal de détente 4' à l'intérieur de la turbine 2 est muni d'une vanne de régulation 13. Cette vanne de régulation 13 peut se trouver avantageusement à proximité de la face de sortie 2b de la turbine 2 en obturant ou ouvrant sélectivement une extrémité de sortie 4b du passage principal de détente 4', donc en se trouvant sur le passage principal de détente 4' après la roue de la turbine 2.
[0063] Quelle que soit sa position sur le passage principal de détente 4' prolongeant le premier conduit 4, la vanne de régulation 13 peut être munie d'un actionneur 15 la déplaçant entre au moins une première position de fermeture du passage principal de détente 4' avec un débit nul dans le passage principal de détente 4' et une seconde position d'ouverture complète du passage principal de détente 4' avec un débit maximal dans le passage principal de détente 4'.
[0064] Le débit nul dans le passage principal de détente 4' peut correspondre à une demande de chauffage des éléments de dépollution 10 tandis que le débit maximal dans passage principal de détente 4' peut correspondre à une demande de puissance maximale au compresseur 3 du turbocompresseur.
[0065] L'actionneur 15 peut aussi déplacer la vanne de régulation 13 dans des positions intermédiaires d'ouverture correspondant à des débits différents dans le passage principal de détente 4' selon le degré d'ouverture correspondant à chaque position intermédiaire respective.
[0066] Avantageusement, la vanne de régulation 13 peut être sous la forme d'un disque mobile en translation ou en rotation par l'actionneur 15. Un disque mobile en rotation en tant que vanne de régulation 13 est montré notamment aux figures 5, 5a, 7 et 7a. [0067] En se référant à toutes les figures sauf la figure 1 , la portion de dérivation 8 prolongeant le deuxième conduit 6 peut présenter une extrémité de sortie 8b et le passage principal de détente 4'premier conduit 4 peut présenter une extrémité de sortie 4b, les deux extrémités de sortie 4b, 8b débouchant à proximité de la face de sortie 2b de la turbine 2, c'est-à-dire en amont de cette face de sortie 2b dans la turbine 2. Le troisième conduit 9, extérieur à la turbine 2, part de la face de sortie 2b pour l'évacuation des gaz d'échappement de la turbine 2. De manière classique, le troisième conduit 9 comporte plus en aval de la face de sortie 2b du carter 2c de la turbine 2 des éléments de dépollution 10 des gaz d'échappement le traversant, ces éléments de dépollution 10 ayant été mentionnés précédemment.
[0068] Il est à considérer qu'il peut exister simultanément plusieurs portions de dérivation 8 prolongeant le deuxième conduit 6 dit de décharge et qu'une portion de dérivation 8 peut présenter plusieurs extrémités de sortie 8b. Les figures 3, 3a, 4, 5 et 5a montrent une unique extrémité de sortie 8b pour une portion de dérivation 8 tandis que les figures 6, 7a et 7b montrent plusieurs extrémités de sortie 8b pour une ou plusieurs portions de dérivation 8.
[0069] Le passage principal de détente 4' prolongeant le premier conduit 4 peut présenter aussi une extrémité de sortie 4b à l'endroit où le passage principal de détente 4' et la ou les portions de dérivation 8 se rejoignent. L'extrémité de sortie 4b du passage principal de détente 4' peut présenter une section plus grande que la section de la ou d'une extrémité de sortie 8b de la ou des portions de dérivation 8 mais ceci n'est pas obligatoire. L'extrémité de sortie 4b du passage principal de détente 4' est avantageusement de section circulaire, ce qui n'est cependant pas limitatif.
[0070] Par exemple, la ou les portions de dérivation 8 peuvent comprendre au moins deux extrémités de sortie 8b. Ceci est illustré notamment aux figures 6, 7 et 7a. De multiples extrémités de sortie 8b pour la portion de dérivation 8 prolongeant le deuxième conduit 6 de décharge peuvent se trouver dans un plan parallèle ou confondu à celui de la face de sortie 2b de la turbine 2.
[0071 ] Dans un premier mode de réalisation de l'invention non limitatif, les deux ou plus de deux extrémités de sortie 8b d'une portion de dérivation 8 peuvent se trouver adjacentes l'une à l'autre dans la turbine 2, ce qui n'est pas montré aux figures. En alternative, dans un deuxième mode de réalisation de l'invention aussi non limitatif, les deux extrémités de sortie 8b de la ou des portions de dérivation 8 peuvent être réparties uniformément sur un disque de sortie disposé autour de l'extrémité de sortie 4b du passage principal de détente 4' se trouvant alors au centre du disque, ce qui est montré aux figures 6, 7a et 7b. [0072] Les deux ou plus de deux extrémités de sortie 8b de ladite au moins une portion de dérivation 8 peuvent déboucher radialement ou axialement par rapport à l'extrémité de sortie 4b du premier conduit 4. Un débouché radial avec une distribution uniforme permet une optimisation de la configuration du carter 2c et de la turbine 2 associée ainsi qu'une optimisation des turbulences en face de sortie 2b du carter 2c de la turbine 2.
[0073] Dans ce mode de réalisation, les deux ou plus de deux extrémités de sortie 8b de la ou des portions de dérivation 8 peuvent être au moins au nombre de trois, toutes débouchant radialement ou axialement ou une partie des extrémités de sortie 8b débouchant radialement avec une partie complémentaire des autres extrémités de sortie 8b débouchant axialement. Ceci est montré aux figures 6, 7 et 7a.
[0074] Avec un deuxième conduit 6 dit de décharge prolongé dans la turbine 2 par une ou plusieurs portions de dérivation 8, elles-mêmes présentant une ou plusieurs extrémités de sortie 8b et un passage principal de détente 4' prolongeant le premier conduit 4 dit d'échappement par turbine muni d'une extrémité de sortie 4b, la section des extrémités de sortie 8b, 4b peut prendre plusieurs formes différentes à savoir par exemple :
- une forme ronde telle que, par exemple, dans un système classique de turbocompresseur,
- une forme optimisée pour l'optimisation de l'ensemble turbine 2 et son carter 2c associée et de l'optimisation des turbulences en face de sortie 2b de la turbine 2, par exemple une forme en croissant, en demi-lune, une forme ovalisée, carrée, rectangulaire, triangulaire, etc.
[0075] Dans un mode de réalisation de l'invention, la sortie du moteur peut comprendre par cylindre, au moins un cylindre équipant le moteur et avantageusement trois, des premier et second passages de sortie fermés par une soupape d'échappement respective, une série de premiers passages de sortie des cylindres alimentant, via le premier collecteur de sortie 5, le premier conduit 4 dit d'échappement par turbine et une série de seconds passages de sortie, via le deuxième collecteur de sortie 7, alimentant le deuxième conduit 6 dit de décharge.
[0076] Ainsi, il est possible d'obtenir des régulations multiples des flux de gaz d'échappement. Dans des conditions spécifiques de fonctionnement de l'ensemble moteur 1 , il est avantageux de fermer ou réduire le flux de gaz d'échappement dans le passage principal de détente 4' de la turbine 2. Ceci est fait par la fermeture au moins partielle de la vanne de régulation 13 selon la présente invention. [0077] Il peut être possible en plus de réguler le débit dans le premier conduit 4, de réguler celui du deuxième conduit 6, ce qui permet un fonctionnement amélioré de l'ensemble moteur.
[0078] Il va maintenant être énoncé des premières conditions spécifiques de fonctionnement de l'ensemble moteur 1 , pour lesquelles il est avantageux de fermer ou réduire le flux de gaz d'échappement par la vanne de régulation 13 dans le passage principal de détente 4' prolongeant le premier conduit 4.
[0079] Comme précédemment mentionné, le système d'échappement comporte, en aval de la turbine 2, des éléments de dépollution 10 des gaz d'échappement le traversant, ceci dans le troisième conduit 9. Ces éléments de dépollution 10 nécessitent d'être chauffés en étant traversés par des gaz d'échappement les plus chauds possibles afin d'acquérir le plus vite possible une température minimale prédéterminée pour assurer le traitement de dépollution. Ceci est important notamment pendant la période de temps succédant au démarrage du véhicule automobile. [0080] Il est avantageux de fermer ou réduire le flux de gaz d'échappement dans le passage principal de détente 4' prolongeant le premier conduit 4, ce flux perdant beaucoup de chaleur dans la roue de la turbine 2 et étant alors moins chaud que le flux du deuxième conduit 6 ayant contourné la turbine 2.
[0081 ] L'invention concerne donc aussi un procédé de montée en chauffe des éléments de dépollution 10 dans le système d'échappement d'un ensemble moteur décrit précédemment, dans lequel la vanne de régulation 13 maintient le débit de gaz d'échappement dans le passage principal de détente 4' interne à la turbine 2 à une valeur nulle ou réduite tant que ladite température minimale n'est pas atteinte.
[0082] Dans le procédé selon la présente invention, il peut exister une condition suspensive de maintien du débit de gaz d'échappement dans le passage principal de détente 4' à une valeur nulle ou réduite qui est que la pression en admission d'air du moteur soit supérieure à la pression atmosphérique. Ceci correspond à une demande de puissance de l'ensemble moteur 1 .
[0083] De manière accessoire, comme montré à la figure 2, une ligne RGE peut être raccordée par un piquage 12 à un des deux conduits 4, 6 ou à une de leurs prolongations respectives dans la turbine 2. A la figure 2, il est montré un piquage 12 d'une ligne RGE 1 1 à travers la turbine 2 soit avec le passage principal de détente soit avec au moins une portion de dérivation 8 soit avec les deux.
[0084] Comme précédemment mentionné, la turbine 2 peut être équipée d'un circuit de refroidissement par un liquide de refroidissement en son intérieur, notamment de l'eau. Ce circuit n'est pas illustré aux figures mais en reprenant les figures 2 à 7a pour les références des autres éléments, le circuit de refroidissement peut s'étendre à l'intérieur du carter 2c au moins autour de la face d'entrée 2a et autour de la roue de la turbine 2.
[0085] Le liquide de refroidissement circule avantageusement sur toutes les zones chaudes où un risque de fusion de la matière du carter 2c de la turbine 2 est identifié. La circulation du liquide de refroidissement se fait globalement dans un sens unique en réalisant tout le tour du carter 2c de la turbine 2, principalement dans la zone d'une bride d'entrée de la turbine 2 et dans la zone autour de la roue de la turbine 2.
[0086] Plusieurs modes préférentiels de réalisation du circuit de refroidissement sont possibles. Ainsi, quand le premier collecteur 5 ou le second collecteur 7 d'échappement comprend un circuit de refroidissement, son circuit de refroidissement peut être connecté au circuit de refroidissement de la turbine 2, avec une entrée et une sortie du circuit de refroidissement de la turbine 2 pouvant se trouver sur la face d'entrée 2a de la turbine 2. Dans un autre mode, le circuit de refroidissement de la turbine 2 est indépendant de celui de chaque collecteur 5, 7 d'échappement et lui est propre. Il se peut aussi que la turbine soit directement raccordée aux collecteurs 5, 7 d'échappement les premier et deuxième conduits 4, 6 étant alors intégrés dans leur collecteur 5, 7 respectif.
[0087] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples.

Claims

Revendications
Ensemble moteur (1 ) comprenant un moteur à combustion interne avec au moins un cylindre, un turbocompresseur comportant une turbine
(2) et un compresseur
(3), et un système d'échappement raccordé à une sortie du moteur pour une évacuation de gaz d'échappement issus de la combustion dans le moteur, le système d'échappement comprenant un premier conduit (4) dit d'échappement par la turbine (2) partant d'un premier collecteur (5) d'échappement et un deuxième conduit (6) dit de décharge partant d'un second collecteur (7) d'échappement, la turbine (2) étant munie d'un carter (2c) présentant un passage principal de détente (4') dans lequel est logée une roue de turbine et le premier conduit
(4) débouchant dans le passage principal de détente (4') par une face d'entrée (2a) du carter (2c), caractérisé en ce que le deuxième conduit (6) débouche par la face d'entrée (2a) du carter (2c) dans au moins une portion de dérivation (8) interne au carter (2c) contournant le passage principal de détente (4'), le passage principal de détente (4') et ladite au moins une portion de dérivation (8) se rejoignant à une face de sortie (2b) du carter (2c), le passage principal de détente (4') comprenant, à l'intérieur de la turbine (2), une vanne de régulation (13) du débit de gaz d'échappement le traversant.
Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la vanne de régulation (13) du débit de gaz d'échappement est pilotable pour réguler la totalité du débit de gaz dans toute la plage entre 0% et 100%.
Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le système d'échappement comprend un troisième conduit (9) extérieur à la turbine (2) et relié à la face de sortie (2b) du carter (2c) de turbine pour l'évacuation des gaz d'échappement hors de la turbine (2).
Ensemble selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la vanne de régulation (13) est munie d'un actionneur (15) la déplaçant entre au moins une première position de fermeture du passage principal de détente (4') avec un débit nul dans le passage principal de détente (4') et une seconde position d'ouverture complète du passage principal de détente (4') avec un débit maximal dans le passage principal de détente (4').
5. Ensemble selon la revendication précédente, dans lequel l'actionneur (15) déplace la vanne de régulation (13) dans des positions intermédiaires d'ouverture correspondant à des débits différents dans le passage principal de détente (4') selon le degré d'ouverture correspondant à chaque position intermédiaire respective.
6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, dans lequel la vanne de régulation (13) est sous la forme d'un disque mobile en translation ou en rotation par l'actionneur (15).
7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la vanne de régulation (13) est disposée sur au moins une extrémité de sortie (4b) du passage principal de détente (4') à la face de sortie (2b) de la turbine (2).
8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système d'échappement comporte, en aval de la turbine (2), des éléments de dépollution (10) des gaz d'échappement le traversant.
9. Procédé de montée en chauffe des éléments de dépollution (10) dans un ensemble selon la revendication précédente, dans lequel, les éléments de dépollution (10) nécessitant d'être chauffés afin d'acquérir une température minimale prédéterminée pour assurer le traitement de dépollution, la vanne de régulation (13) du passage principal de détente (4') maintient le débit de gaz d'échappement dans le passage principal de détente (4') à une valeur nulle ou réduite tant que ladite température minimale n'est pas atteinte.
10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel une condition suspensive de maintien du débit de gaz d'échappement dans le passage principal de détente (4') à une valeur nulle ou réduite est que la pression en admission d'air du moteur soit supérieure à la pression atmosphérique.
1 1 . Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend l'ensemble selon l'une des revendications 1 à 8.
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