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WO2008078020A1 - Moteur a combustion interne suralimente comprenant des collecteurs d'echappement a volume variable - Google Patents

Moteur a combustion interne suralimente comprenant des collecteurs d'echappement a volume variable Download PDF

Info

Publication number
WO2008078020A1
WO2008078020A1 PCT/FR2007/052183 FR2007052183W WO2008078020A1 WO 2008078020 A1 WO2008078020 A1 WO 2008078020A1 FR 2007052183 W FR2007052183 W FR 2007052183W WO 2008078020 A1 WO2008078020 A1 WO 2008078020A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
internal combustion
combustion engine
cylinders
valves
turbine
Prior art date
Application number
PCT/FR2007/052183
Other languages
English (en)
Inventor
Yvan Danet
Johann William
Original Assignee
Renault S.A.S
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 Renault S.A.S filed Critical Renault S.A.S
Publication of WO2008078020A1 publication Critical patent/WO2008078020A1/fr

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Classifications

    • 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
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/20—Control of the pumps by increasing exhaust energy, e.g. using combustion chamber by after-burning
    • 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
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
    • 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
    • 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
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/26—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being an exhaust gas reservoir, e.g. emission buffer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention generally relates to the supercharging of internal combustion engines.
  • an internal combustion engine comprising at least four cylinders, a turbocharger provided with a turbine with two volutes, and two independent exhaust manifolds, one of which connects at least two of said cylinders to one of the two scrolls said turbine and the other connects at least two other of said cylinders to the other of the two volutes of said turbine.
  • Supercharged internal combustion engines use the energy of the flue gases to spin a turbine.
  • This turbine is mounted on a common axis with a compressor which, being rotated, compresses the fresh air supplying the engine. This compression makes it possible to inject more fresh air into the cylinders of the engine, and thus more fuel, so that the engine can develop a torque and power greater than an atmospheric engine of the same displacement.
  • the most common internal combustion engines have four cylinders that open into a single exhaust manifold connected to the turbine.
  • US 3,423,926 discloses an internal combustion engine as described in the introduction, the two exhaust manifolds are connected together by means of a valve which remains closed at low speed and which opens at high speed.
  • This solution which aims to combine the benefits of engines with a simple exhaust manifold and those engines with two exhaust manifolds, however, offers poor performance at high speed.
  • such a valve has a mechanical strength deficient because of the high temperatures of the flue gas to which it is subjected.
  • the present invention proposes an internal combustion engine with two exhaust manifolds which makes the best use of the low-end torque gain due to the presence of its two collectors. exhaust and whose power at high speed is not reduced.
  • an internal combustion engine as defined in the introduction, wherein there are two reserve volumes, one of which opens into one of said exhaust manifolds and the other opens into the other of said exhaust manifolds, and a valve positioned at the outlet of each reserve volume.
  • the reserve volumes have no influence on the supercharging so that the engine makes the best use of the low-end torque gain due to the presence of the two collectors. exhaust.
  • the exhaust valves of one of the cylinders are open, those of the other of the cylinders connected to the same exhaust manifold are closed, which allows to direct the entirety of the pressure waves generated by the first cylinder to the engine turbine.
  • the opening of the valves makes it possible to increase the capacity of the exhaust manifolds, so as to reduce the pumping phenomena and thus reduce the work necessary to empty the cylinders. The power of the engine is then increased.
  • valves which are adapted, on the one hand, to open said valves when the speed of the internal combustion engine exceeds a first threshold value of 3500 and 5000 revolutions per minute, and, on the other hand, to close said valves when the speed of the internal combustion engine falls below a second threshold value lower than the first threshold value and included in 3000 and 4500 revolutions per minute;
  • valves are provided, of which, in order of ignition, a first cylinder, a third cylinder, a fourth cylinder and a second cylinder, the first and fourth cylinders being connected to one of the two exhaust manifolds, and the second and third cylinders being connected to the other of the two exhaust manifolds; said valves are of the butterfly valve type;
  • valves are actuated by common electromechanical or pneumatic actuating means;
  • each exhaust manifold comprising distinct parts connected independently of one another to the associated rolls, a common part connected to one of said scrolls, and a connection zone between said distinct parts and the common part, the outlet of each volume; reserve in the associated exhaust manifold is located near said connecting zone, downstream thereof; - The set of cylinders having a given displacement, the capacity of each reserve volume is greater than one-eighth of said displacement;
  • each reserve volume comprises a connecting duct through which it opens into the corresponding exhaust manifold, said connecting duct internally comprising one of said valves and having a section whose area is between 0.15 and 1 times the surface of the exhaust manifold section at the outlet of said reserve volume;
  • the turbine comprises a single impeller surrounded by said two volutes; and the turbine comprises two paddle wheels mounted on a common axis, one of which is surrounded by one of said two scrolls and the other of which is surrounded by the other of said two scrolls.
  • FIG. 1 is a schematic overview of an internal combustion engine according to the invention
  • FIG. 2 is a perspective view in partial section of a turbocharger of the internal combustion engine of Figure 1;
  • FIG. 3 is a graph showing the evolution of a pumping pressure of the internal combustion engine of FIG. 1 as a function of its speed, according to whether the valves of this internal combustion engine are open or closed;
  • FIG. 4 is a graph showing the evolution of the couple developed by the internal combustion engine of Figure 1 according to its speed, depending on whether the valves of the internal combustion engine are open or closed.
  • upstream and downstream will be used in the direction of gas flow, from the point of sampling the fresh air into the atmosphere to the exit of the gases burned by a pot relaxing 26.
  • FIG. 1 diagrammatically shows an internal combustion engine 10 which is driven by an electronic and / or computer device (not shown) and which comprises a motor unit 1 OA.
  • This engine block 1 OA is here provided with four cylinders 1 1, 12, 13, 14 in line, of which, from one side to the other of the engine block 1 OA, a first cylinder 1 1, a second cylinder 12 , a third cylinder 13 and a fourth cylinder 14.
  • Each cylinder conventionally comprises two fresh air intake valves and two exhaust valves (not shown) of burnt gases.
  • Each cylinder 11, 12, 13, 14 of the internal combustion engine 10 operates in a four-stroke cycle, including an admission time during which its intake valves are open, a compression time and a relaxation time (after explosion) during which its intake and exhaust valves are closed, and finally an exhaust time during which its exhaust valves are open. Furthermore, a so-called crossing phase is generally considered, concomitant with the end of the exhaust time and the beginning of the admission time, during which the intake and exhaust valves of the cylinder are simultaneously open.
  • the cycles of the four cylinders January 1, 12, 13, 14 are offset relative to each other by one time.
  • the cylinders typically have the following ignition sequence: the first cylinder 1 1 is ignited first, followed by the third cylinder 13, then the fourth cylinder 14 and finally the second cylinder 12.
  • the first cylinder 1 1 is at the exhaust time
  • the third cylinder 13 is at the expansion time
  • the fourth cylinder 14 is at the compression time
  • the second cylinder 12 is at the admission time.
  • the internal combustion engine 10 Upstream of the cylinders 1 1, 12, 13, 14 of the engine block 1 OA, the internal combustion engine 10 comprises a fresh air intake line 20 which comprises, on the one hand, an air filter 21 which filters the fresh air taken from the atmosphere, and, secondly, a compressor 31 of a turbocharger 30 which compresses the fresh air filtered by the air filter 21.
  • the intake line 20 of fresh air further comprises an air cooler 22 which cools cool air which has been heated during its compression.
  • This intake line 20 opens into an air distributor 23 which is connected to the four cylinders January 1, 12, 13, 14 of the engine block 10A.
  • the internal combustion engine 10 comprises two exhaust manifolds 40, 50. As shown in FIGS. 1 and 2, a first one of the exhaust manifolds Exhaust 40 connects the first and fourth cylinders 1 1, 14 to a first volute 33 of a turbine 32 of the turbocharger 30. This turbine will be described in more detail later.
  • the first exhaust manifold 40 has two distinct upstream parts 42, 43, one of which originates in the first cylinder 1 1 and the other of which originates in the fourth cylinder 14. These two distinct parts 42 43, the first exhaust manifold 40 further comprises a downstream common part 41, of cylindrical section here, which originates at the connection zone 44 and which opens into the connection zone 44. an inlet 37 of the turbine 32.
  • a second of the exhaust manifolds 50 connects the second and third cylinders 12, 13 to a second volute 34 of the turbine 32 of the turbocharger 30.
  • the second exhaust manifold 50 has two distinct upstream parts 52, 53, one of which originates in the second cylinder 12 and the other of which originates in the third cylinder 13. These two distinct parts 52, 53 meet at a connection zone 54.
  • the second exhaust manifold 50 further comprises a downstream common portion 51, of cylindrical section here, which originates at the connection zone 54 and which opens into a other inlet 38 of the turbine 32.
  • the first and second exhaust manifolds 40, 50 are here each formed in one piece by molding a metallic material. They have a small internal volume that allows flushed gas escaping from the cylinders to enter the turbine 32 with maximum kinetic energy when the engine is operating at low speed.
  • the cylinders 11, 14 and 12, 13 are connected in pairs to the two exhaust manifolds 40, 50 so that when the exhaust valves of one of the cylinders of a pair of cylinders are open (at the time of escape or in crossing phase), the exhaust valves of the other cylinders of this same pair are closed.
  • the flow of flue gases from one of the cylinders of a pair of cylinders then has no influence on the operation of the other of the cylinders of this pair.
  • the turbocharger 30 comprises a compressor 31 provided with a bladed wheel (not shown) and a turbine 32 also provided with a bladed wheel 35. These two impellers are connected to one another. one to another by an axis 36.
  • the compressor 31 has an axial fresh air inlet (not visible in the figure) and a compressed fresh air outlet 31 A side.
  • the turbine laterally has two flue gas inlets 37, 38, each of which is connected to one of the exhaust manifolds 40, 50. These two lateral inlets 37, 38 open into the interior of the turbine 32, in both volutes 33, 34 surrounding the single impeller 35 of the turbine 32.
  • the scrolls which have toric shapes impose circular paths on the two flue gases so that they drive the impeller 35 in rotation.
  • this impeller 35 rotates, it rotates the impeller of the compressor 31, which compresses the fresh air circulating in the intake line 20.
  • the two volutes 33, 34 of the turbine 32 are separated from each other by a single peripheral flange 35A.
  • the turbine could be in two distinct parts, each having a clean impeller and volute.
  • the two impellers of the turbine would then be mounted on a common axis.
  • the flue gases are expelled out of the turbine 32 through an axial outlet 39.
  • this axial outlet 39 is connected to a burnt gas exhaust line 20 which makes it possible to evacuate all the burned gases up to the expansion tank 26 via a pollution control device 27.
  • the internal combustion engine could also include a recirculation line of burnt gases stitched on the exhaust line and opening into the intake line. Such a recirculation line makes it possible to inject into the intake line a portion of the burnt gases resulting from combustion in the cylinders, called recirculation gases, to produce an intake mixture comprising fresh air and flue gases. to reduce the volume of pollutant particles released by the engine.
  • the internal combustion engine 10 comprises, on the one hand, two reserve volumes 45, 55 of gas, a first reserve volume 45 which opens into the first exhaust manifold 40 and including a second reserve volume 55 which opens into the second exhaust manifold 50, and, secondly, a valve 46, 56 positioned at the outlet of each reserve volume 45, 55.
  • the internal combustion engine 10 comprises a spare casing (not shown) whose interior volume is separated into two separate chambers which form the two reserve volumes 45, 55 above. These two chambers are each provided with a single opening which opens onto a connecting duct 47, 57 connecting said chamber to the corresponding exhaust manifold 40, 50.
  • the reserve casing is arranged below the exhaust manifolds 40, 50 so that its two connecting ducts 47, 57, of vertical axes, open independently of one another in one or the other. exhaust manifolds 40, 50, near the connection zone 44, 54 of this manifold, downstream of this connection zone.
  • Each connecting duct 47, 57 has a cylindrical shape with a diameter of between 0.4 and 1 times the diameter of the common portions 41, 51 of the exhaust manifolds 40, 50. This diameter is here chosen equal to 0.5 times the diameter of the common portions 41, 51 of the exhaust manifolds 40, 50.
  • the valves 46, 56 are arranged in the connecting ducts 47, 57.
  • valves are of the butterfly valve type. They therefore each comprise a shutter (not shown) which is mounted on an axis and which, depending on its angular position about this axis, is adapted to obstruct or open the junction conduit in which it is arranged.
  • the two flaps are mounted on the same axis which passes through the two connecting ducts so that they invariably have the same angular position.
  • the two flaps could be mounted on two separate axes operated independently of one another.
  • the axis of the butterfly valves is here actuated by means of electromechanical actuating means (servo-motor type) common. These means could also be pneumatic (micro-cylinder type).
  • these actuating means are bistable and are adapted to arrange the flaps in two stable positions angularly separated by 90 degrees, including a stable position in which the flaps completely close the connecting ducts 47, 57 and another stable position in which the flaps extend in planes parallel to the vertical axes of the connecting ducts.
  • actuating means are controlled by control means integrated in the electronic and / or computer device of the internal combustion engine 10.
  • the control means are designed to, on the one hand, open the valves 46, 56 when the speed of the internal combustion engine 10 exceeds a first threshold value of 3500 and 5000 revolutions per minute, for example
  • valves could be controlled to open and close gradually according to the engine speed. More specifically, the control means could control the complete closing of the valves when the engine speed is below 3500 revolutions per minute, the complete opening of the valves when the engine speed is above 5000 revolutions per minute, and the partial opening of the valves when the engine speed is between 3500 and 5000 revolutions per minute, with an opening coefficient dependent on the engine speed.
  • valves 46, 56 are driven in the closed position so that the flue gases that escape from the cylinders 11, 12, 13, 14 are directly led to the volutes of the turbine 32.
  • the torque C developed by the engine at low speed is satisfactory. It is especially better than if the valves 46, 56 were open (continuous curve). It is also more important than the one developed by a motor of the same single exhaust manifold.
  • valves 46, 56 are driven in the open position so that the total volume of gas present in the exhaust manifolds 40, 50 and in the reserve volumes 45 , 55 is important.
  • the burned gases here have a high energy and can circulate easily because of this large volume, without major pumping phenomena appear.
  • the emptying of the rolls 1 1, 12, 13, 14 can in particular be carried out more easily.
  • the pumping pressure P is then negative, which means that the work of transferring the gases into the cylinders is negative. This work therefore has a negative impact on the efficiency of the internal combustion engine 10.
  • this pumping pressure P is less negative than if the valves 46, 56 were closed (discontinuous curve).

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un moteur à combustion interne (10) comprenant au moins quatre cylindres (11, 12, 13, 14), un turbocompresseur (30) pourvu d'une turbine (32) à deux volutes, et deux collecteurs d'échappement (40, 50) indépendants dont l'un raccorde au moins deux desdits cylindres à l'une des deux volutes de ladite turbine et dont l'autre raccorde au moins deux autres desdits cylindres à l'autre des deux volutes de ladite turbine. Selon l'invention, il est prévu deux volumes de réserve (45, 55) dont l'un débouche dans l'un desdits collecteurs d'échappement et dont l'autre débouche dans l'autre desdits collecteurs d'échappement, et une vanne (46, 56) positionnée au débouché de chaque volume de réserve.

Description

Moteur à combustion interne suralimenté comprenant des collecteurs d'échappement à volume variable
DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale la suralimentation des moteurs à combustion interne.
Elle concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne comprenant au moins quatre cylindres, un turbocompresseur pourvu d'une turbine à deux volutes, et deux collecteurs d'échappement indépendants dont l'un raccorde au moins deux desdits cylindres à l'une des deux volutes de ladite turbine et dont l'autre raccorde au moins deux autres desdits cylindres à l'autre des deux volutes de ladite turbine. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Les moteurs à combustion interne suralimentés utilisent l'énergie des gaz brûlés pour faire tourner une turbine. Cette turbine est montée sur un axe commun avec un compresseur qui, étant entraîné en rotation, comprime l'air frais alimentant le moteur. Cette compression permet d'injecter plus d'air frais dans les cylindres du moteur, et donc plus de carburant, si bien que le moteur peut développer un couple et une puissance supérieurs à un moteur atmosphérique de même cylindrée.
Les moteurs à combustion interne les plus courants comportent quatre cylindres qui débouchent dans un unique collecteur d'échappement raccordé à la turbine.
A haut régime, du fait de la grande contenance du collecteur d'échappement, les phénomènes de pompage pour évacuer les gaz brûlés en dehors des cylindres sont faibles. Le travail nécessaire pour vidanger les cylindres est donc réduit. En revanche, ces moteurs ont le défaut de fournir un couple relativement faible à bas régime. En effet, à bas régime, les gaz brûlés présentent une énergie cinétique faible qui ne permet pas d'entraîner efficacement en rotation la turbine. En outre, à bas régime, les ondes de pression générées lors de l'ouverture des soupapes d'échappement d'un cylindre se dispersent dans le collecteur d'échappement et perdent ainsi de leur efficacité. Enfin, toujours à bas régime, lorsqu'un des cylindres voit ses soupapes d'échappement s'ouvrir, un autre des quatre cylindres du moteur est en phase de croisement, si bien que ses soupapes d'admission et d'échappement sont simultanément ouvertes de manière à permettre une vidange efficace de ce cylindre. Les ondes de pression générées par l'ouverture des soupapes d'échappement du premier cylindre sont alors défavorables dans la mesure où elles entrent dans l'autre des cylindres juste avant la fermeture de ses soupapes d'échappement, réduisant ainsi l'efficacité de sa vidange. On connaît également des moteurs à combustion interne dont les quatre cylindres débouchent par paires dans deux collecteurs d'échappement raccordés à deux volutes distinctes de la turbine. Le flux de gaz brûlés sortant de l'une des paires de cylindres débouche ainsi dans l'une des volutes de la turbine tandis que le flux de gaz brûlés sortant de l'autre des paires de cylindres débouche dans l'autre des volutes de la turbine. Ces deux flux de gaz brûlés se rejoignent donc en aval de la turbine, si bien qu'ils n'ont aucune influence l'un sur l'autre.
Ainsi, à bas régime, du fait du faible volume des collecteurs d'échappement, les ondes de pression générées par l'ouverture des soupapes d'échappement d'un cylindre circulent correctement depuis ce cylindre jusque la turbine sans se disperser. Par conséquent, l'amplitude des ondes de pression diminue peu dans le collecteur d'échappement, ce qui accroît nettement les performances de la turbine à bas régime.
Par ailleurs, lorsque les soupapes d'échappement d'un cylindre associé à un collecteur d'échappement sont ouvertes, les soupapes d'échappement de l'autre cylindre associé à ce même collecteur d'échappement sont fermées, si bien que les ondes de pression générées par le premier cylindre n'ont aucune influence sur l'autre cylindre.
Cependant, à haut régime, la faible contenance des collecteurs d'échappement s'avère pénalisante vis-à-vis du rendement de la turbine. En effet, cette faible contenance génère des phénomènes de pompage importants qui réduisent l'efficacité de la turbine et donc la puissance du moteur.
On connaît enfin du document US 3 423 926 un moteur à combustion interne tel que décrit en introduction dont les deux collecteurs d'échappement sont raccordés ensemble au moyen d'une vanne qui reste fermée à bas régime et qui s'ouvre à haut régime. Cette solution, qui a pour objectif de combiner les avantages des moteurs comportant un simple collecteur d'échappement et ceux des moteurs comportant deux collecteurs d'échappement, offre toutefois un rendement médiocre à haut régime. En outre, une telle vanne présente une tenue mécanique déficiente du fait des hautes températures des gaz brûlés auxquelles elle est soumise. OBJET DE L'INVENTION
Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose un moteur à combustion interne à deux collecteurs d'échappement qui exploite au mieux le gain de couple à bas régime dû à la présence de ses deux collecteurs d'échappement et dont la puissance à haut régime n'est pas pour autant réduite.
Plus particulièrement, on propose selon l'invention un moteur à combustion interne tel que défini dans l'introduction, dans lequel il est prévu deux volumes de réserve dont l'un débouche dans l'un desdits collecteurs d'échappement et dont l'autre débouche dans l'autre desdits collecteurs d'échappement, et une vanne positionnée au débouché de chaque volume de réserve.
Ainsi, grâce à l'invention, lorsque les vannes sont fermées, les volumes de réserve n'ont aucune influence sur la suralimentation de sorte que le moteur exploite au mieux le gain de couple à bas régime dû à la présence des deux collecteurs d'échappement. En particulier, lorsque les soupapes d'échappement d'un des cylindres sont ouvertes, celles de l'autre des cylindres raccordé au même collecteur d'échappement sont fermées, ce qui permet de diriger l'intégralité des ondes de pression générées par le premier cylindre vers la turbine du moteur. Par ailleurs, à haut régime, l'ouverture des vannes permet d'augmenter la contenance des collecteurs d'échappement, de manière à réduire les phénomènes de pompage et donc de diminuer le travail nécessaire à la vidange des cylindres. La puissance du moteur est alors accrue.
D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du moteur à combustion interne conforme à l'invention sont les suivantes :
- il est prévu des moyens de pilotage desdites vannes qui sont adaptés, d'une part, à ouvrir lesdites vannes lorsque le régime du moteur à combustion interne dépasse une première valeur seuil comprise en 3500 et 5000 tours par minute, et, d'autre part, à fermer lesdites vannes lorsque le régime du moteur à combustion interne passe en-deçà d'une seconde valeur seuil inférieure à la première valeur seuil et comprise en 3000 et 4500 tours par minute ;
- il est prévu quatre cylindres, dont, classés par ordre d'allumage, un premier cylindre, un troisième cylindre, un quatrième cylindre et un deuxième cylindre, les premier et quatrième cylindres étant raccordés à l'un des deux collecteurs d'échappement, et les deuxième et troisième cylindres étant raccordés à l'autre des deux collecteurs d'échappement ; - lesdites vannes sont de type vanne à papillon ;
- lesdites vannes sont actionnées par des moyens d'actionnement électromécaniques ou pneumatiques communs ;
- chaque collecteur d'échappement comportant des parties distinctes reliées indépendamment les unes des autres aux cylindres associés, une partie commune reliée à l'une desdites volutes, et une zone de raccord entre lesdites parties distinctes et la partie commune, le débouché de chaque volume de réserve dans le collecteur d'échappement associé est situé à proximité de ladite zone de raccord, en aval de celle-ci ; - l'ensemble des cylindres présentant une cylindrée donnée, la contenance de chaque volume de réserve est supérieure au huitième de ladite cylindrée ;
- chaque volume de réserve comporte un conduit de jonction par lequel il débouche dans le collecteur d'échappement correspondant, ledit conduit de jonction comprenant intérieurement l'une desdites vannes et présentant une section dont la surface est comprise entre 0,15 et 1 fois la surface de la section du collecteur d'échappement au niveau du débouché dudit volume de réserve ;
- la turbine comporte une unique roue à aubes entourée par lesdites deux volutes ; et - la turbine comporte deux roues à aubes montées sur un axe commun, dont l'une est entourée par l'une desdites deux volutes et dont l'autre est entourée par l'autre desdites deux volutes.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la figure 1 est une vue schématique d'ensemble d'un moteur à combustion interne selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective et en coupe partielle d'un turbocompresseur du moteur à combustion interne de la figure 1 ;
- la figure 3 est un graphique représentant l'évolution d'une pression de pompage du moteur à combustion interne de la figure 1 en fonction de son régime, selon que les vannes de ce moteur à combustion interne sont ouvertes ou fermées ; et
- la figure 4 est un graphique représentant l'évolution du couple développé par le moteur à combustion interne de la figure 1 en fonction de son régime, selon que les vannes de ce moteur à combustion interne sont ouvertes ou fermées.
Dans la description, les termes « amont » et « aval » seront utilisés suivant le sens de l'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement de l'air frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés par un pot de détente 26.
Sur la figure 1 , on a représenté schématiquement un moteur à combustion interne 10 qui est piloté par un dispositif électronique et/ou informatique (non représenté) et qui comprend un bloc-moteur 1 OA. Ce bloc- moteur 1 OA est ici pourvu de quatre cylindres 1 1 , 12, 13, 14 en ligne, dont, d'un côté à l'autre du bloc-moteur 1 OA, un premier cylindre 1 1 , un deuxième cylindre 12, un troisième cylindre 13 et un quatrième cylindre 14. Chaque cylindre comporte classiquement deux soupapes d'admission d'air frais et deux soupapes d'échappement (non représentées) de gaz brûlés. Chaque cylindre 11 , 12, 13, 14 du moteur à combustion interne 10 fonctionne selon un cycle de quatre temps, dont un temps d'admission durant lequel ses soupapes d'admission sont ouvertes, un temps de compression et un temps de détente (après explosion) durant lesquels ses soupapes d'admission et d'échappement sont fermées, et enfin un temps d'échappement durant lequel ses soupapes d'échappement sont ouvertes. On considère généralement en outre une phase dite de croisement, concomitante avec la fin du temps d'échappement et le début du temps d'admission, durant laquelle les soupapes d'admission et d'échappement du cylindre sont simultanément ouvertes.
Les cycles des quatre cylindres 1 1 , 12, 13, 14 sont décalés les uns par rapport aux autres d'un temps. Les cylindres présentent classiquement l'ordre d'allumage suivant : le premier cylindre 1 1 est allumé le premier, suivi du troisième cylindre 13, puis du quatrième cylindre 14 et enfin du deuxième cylindre 12. En d'autres termes, lorsque le premier cylindre 1 1 est au temps d'échappement, le troisième cylindre 13 est au temps de détente, le quatrième cylindre 14 est au temps de compression et le deuxième cylindre 12 est au temps d'admission.
En amont des cylindres 1 1 , 12, 13, 14 du bloc-moteur 1 OA, le moteur à combustion interne 10 comporte une ligne d'admission 20 d'air frais qui comprend, d'une part, un filtre à air 21 qui filtre l'air frais prélevé dans l'atmosphère, et, d'autre part, un compresseur 31 d'un turbocompresseur 30 qui comprime l'air frais filtré par le filtre à air 21. La ligne d'admission 20 d'air frais comporte en outre un refroidisseur d'air 22 qui refroidit l'air frais qui s'est échauffé durant sa compression. Cette ligne d'admission 20 débouche dans un répartiteur d'air 23 qui est raccordé aux quatre cylindres 1 1 , 12, 13, 14 du bloc-moteur 10A.
En sortie des cylindres 1 1 , 12, 13, 14 du bloc-moteur 1 OA, le moteur à combustion interne 10 comporte deux collecteurs d'échappement 40, 50. Comme le montrent les figures 1 et 2, un premier des collecteurs d'échappement 40 raccorde les premier et quatrième cylindres 1 1 , 14 à une première volute 33 d'une turbine 32 du turbocompresseur 30. Cette turbine sera décrite plus en détail par la suite.
A cet effet, le premier collecteur d'échappement 40 comporte deux parties distinctes 42, 43 amont, dont l'une prend naissance dans le premier cylindre 1 1 et dont l'autre prend naissance dans le quatrième cylindre 14. Ces deux parties distinctes 42, 43 se rejoignent au niveau d'une zone de raccord 44. Le premier collecteur d'échappement 40 comporte en outre une partie commune 41 aval, de section ici cylindrique, qui prend naissance au niveau de la zone de raccord 44 et qui débouche dans une entrée 37 de la turbine 32.
Un deuxième des collecteurs d'échappement 50 raccorde les deuxième et troisième cylindres 12, 13 à une deuxième volute 34 de la turbine 32 du turbocompresseur 30.
A cet effet, le deuxième collecteur d'échappement 50 comporte deux parties distinctes 52, 53 amont, dont l'une prend naissance dans le deuxième cylindre 12 et dont l'autre prend naissance dans le troisième cylindre 13. Ces deux parties distinctes 52, 53 se rejoignent au niveau d'une zone de raccord 54. Le deuxième collecteur d'échappement 50 comporte en outre une partie commune 51 aval, de section ici cylindrique, qui prend naissance au niveau de la zone de raccord 54 et qui débouche dans une autre entrée 38 de la turbine 32.
Les premier et deuxième collecteurs d'échappement 40, 50 sont ici chacun formés d'une seule pièce par moulage d'une matière métallique. Ils présentent une volume intérieur peu important qui permet aux bouffées de gaz brûlés s'échappant des cylindres de rentrer dans la turbine 32 avec une énergie cinétique maximale lorsque le moteur fonctionne à bas régime.
A ce stade, on remarque que les cylindres 1 1 , 14 et 12, 13 sont reliés par paires aux deux collecteurs d'échappement 40, 50 de telle sorte que lorsque les soupapes d'échappement d'un des cylindres d'une paire de cylindres sont ouvertes (au temps d'échappement ou en phase de croisement), les soupapes d'échappement de l'autre des cylindres de cette même paire sont fermées. Le flux de gaz brûlés issu d'un des cylindres d'une paire de cylindres n'a alors aucune influence sur le fonctionnement de l'autre des cylindres de cette paire.
Comme le montre plus précisément la figure 2, le turbocompresseur 30 comporte un compresseur 31 pourvu d'une roue à aubes (non représentée) et une turbine 32 également pourvue d'une roue à aubes 35. Ces deux roues à aubes sont reliées l'une à l'autre par un axe 36.
Le compresseur 31 comporte une entrée d'air frais axiale (non visible sur la figure) et une sortie d'air frais comprimé 31 A latérale.
La turbine présente latéralement deux entrées 37, 38 latérales de gaz brûlés qui sont chacune raccordées à l'un des collecteurs d'échappement 40, 50. Ces deux entrées 37, 38 latérales débouchent à l'intérieur de la turbine 32, dans les deux volutes 33, 34 qui entourent l'unique roue à aubes 35 de la turbine 32.
Les gaz brûlés qui arrivent à haute pression depuis l'un ou l'autre des collecteurs d'échappement 40, 50 circulent alors dans l'une ou l'autre des deux volutes 33, 34 de la turbine. Les volutes qui présentent des formes toriques imposent aux deux flux de gaz brûlés des trajectoires circulaires de manière qu'ils entraînent en rotation la roue à aubes 35.
Ainsi, lorsque cette roue à aubes 35 tourne, elle entraîne en rotation la roue à aubes du compresseur 31 , ce qui permet de comprimer l'air frais circulant dans la ligne d'admission 20. Ici, les deux volutes 33, 34 de la turbine 32 sont séparées l'une de l'autre par une simple collerette périphérique 35A.
En variante, la turbine pourrait se présenter en deux parties distinctes, comportant chacune une roue à aubes et une volute propres. Les deux roues à aubes de la turbine seraient alors montées sur un axe commun. Quoi qu'il en soit, les gaz brûlés sont expulsés hors de la turbine 32 par une sortie 39 axiale.
Comme le montre la figure 1 , cette sortie axiale 39 est raccordée à une ligne d'échappement 20 de gaz brûlés qui permet d'évacuer l'ensemble des gaz brûlés jusqu'au pot de détente 26 via un dispositif de dépollution 27. En variante, le moteur à combustion interne pourrait également comporter une ligne de recirculation des gaz brûlés piquée sur la ligne d'échappement et débouchant dans la ligne d'admission. Une telle ligne de recirculation permet d'injecter dans la ligne d'admission une partie des gaz brûlés issus de la combustion dans les cylindres, appelés gaz de recirculation, pour réaliser un mélange d'admission comprenant de l'air frais et des gaz brûlés afin de diminuer le volume de particules polluantes rejetées par le moteur. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le moteur à combustion interne 10 comporte, d'une part, deux volumes de réserve 45, 55 de gaz dont un premier volume de réserve 45 qui débouche dans le premier collecteur d'échappement 40 et dont un deuxième volume de réserve 55 qui débouche dans le deuxième collecteur d'échappement 50, et, d'autre part, une vanne 46, 56 positionnée au débouché de chaque volume de réserve 45, 55.
A cet effet, le moteur à combustion interne 10 comporte un carter de réserve (non représenté) dont le volume intérieur est séparé en deux chambres distinctes qui forment les deux volumes de réserve 45, 55 précités. Ces deux chambres sont chacune pourvues d'une unique ouverture qui débouche sur un conduit de jonction 47, 57 raccordant ladite chambre au collecteur d'échappement 40, 50 correspondant. Le carter de réserve est disposé en dessous des collecteurs d'échappement 40, 50 de manière que ses deux conduits de jonction 47, 57, d'axes verticaux, débouchent indépendamment l'un de l'autre dans l'un ou l'autre des collecteurs d'échappement 40, 50, à proximité de la zone de raccord 44, 54 de ce collecteur, en aval de cette zone de raccord.
L'ensemble des cylindres 11 , 12, 13, 14 présentant une cylindrée donnée, par exemple de 1 ,8 litre, la contenance de chaque volume de réserve 45, 55 est prévue pour être supérieure au huitième de ladite cylindrée ; elle est ici égale à 0,5 litre.
Chaque conduit de jonction 47, 57 présente une forme cylindrique de diamètre compris entre 0,4 et 1 fois le diamètre des parties communes 41 , 51 des collecteurs d'échappement 40, 50. Ce diamètre est choisi ici égal à 0,5 fois le diamètre des parties communes 41 , 51 des collecteurs d'échappement 40, 50. Les vannes 46, 56 sont disposées dans les conduits de jonction 47, 57.
Ces vannes sont de type vanne à papillon. Elles comportent donc chacune un volet (non représenté) qui est monté sur un axe et qui, en fonction de sa position angulaire autour de cet axe, est adapté à obstruer ou à ouvrir le conduit de jonction dans lequel il est disposé. Ici, avantageusement, les deux volets sont montés sur un même axe qui traverse les deux conduits de jonction si bien qu'ils présentent invariablement la même position angulaire. En variante, les deux volets pourraient être montés sur deux axes distincts actionnés indépendamment l'un de l'autre.
L'axe des vannes à papillon est ici actionné par des moyens d'actionnement électromécaniques (de type servo-moteur) communs. Ces moyens pourraient également être pneumatiques (de type micro-vérin). Préférentiellement, ces moyens d'actionnement sont bistables et sont adaptés à disposer les volets dans deux positions stables séparées angulairement de 90 degrés, dont une position stable dans laquelle les volets obturent totalement les conduits de jonction 47, 57 et une autre position stable dans laquelle les volets s'étendent dans des plans parallèles aux axes verticaux des conduits de jonction.
Ces moyens d'actionnement sont pilotés par des moyens de pilotage intégrés au dispositif électronique et/ou informatique du moteur à combustion interne 10.
Les moyens de pilotage sont conçus pour, d'une part, ouvrir les vannes 46, 56 lorsque le régime du moteur à combustion interne 10 dépasse une première valeur seuil comprise en 3500 et 5000 tours par minute, par exemple
4000 tours par minute, et, d'autre part, fermer ces mêmes vannes 46, 56 lorsque le régime du moteur à combustion interne 10 passe en-deçà d'une seconde valeur seuil comprise en 3000 et 4500 tours par minute, par exemple 3800 tours par minute.
En variante, les vannes pourraient être commandées pour s'ouvrir et se fermer progressivement selon le régime du moteur. Plus précisément, les moyens de pilotage pourraient piloter la fermeture complète des vannes lorsque le régime du moteur est en dessous de 3500 tours par minute, l'ouverture complète des vannes lorsque le régime du moteur est au-dessus de 5000 tours par minute, et l'ouverture partielle des vannes lorsque le régime du moteur est compris entre 3500 et 5000 tours par minute, avec un coefficient d'ouverture dépendant du régime du moteur.
Quoi qu'il en soit, lorsque le moteur à combustion interne 10 fonctionne à bas régime, les vannes 46, 56 sont pilotées en position fermée de sorte que les gaz brûlés qui s'échappent des cylindres 1 1 , 12, 13, 14 sont directement conduits vers les volutes de la turbine 32.
Ils perdent ainsi que peu de leur énergie dans les collecteurs d'échappement si bien qu'ils commencent à entraîner en rotation la roue à aubes de cette turbine 32. Leur énergie est limitée, toutefois les pulsations engendrées à l'ouverture des soupapes d'échappement sont correctement transmises vers la turbine et améliorent le rendement du moteur.
Comme le montre la courbe discontinue de la figure 4, le couple C développé par le moteur à bas régime est satisfaisant. Il est en particulier meilleur que si les vannes 46, 56 étaient ouvertes (courbe continue). Il est également plus important que celui développé par un moteur de même cylindrée comportant un unique collecteur d'échappement.
Par ailleurs, lorsque le moteur à combustion interne 10 fonctionne à haut régime, les vannes 46, 56 sont pilotées en position ouverte de sorte que le volume total de gaz présent dans les collecteurs d'échappement 40, 50 et dans les volumes de réserve 45, 55 est important.
Les gaz brûlés présentent ici une forte énergie et peuvent circuler facilement du fait de ce grand volume, sans que d'importants phénomènes de pompage n'apparaissent. La vidange des cylindres 1 1 , 12, 13, 14 peut en particulier s'effectuer plus facilement. Comme le montre la courbe discontinue de la figure 3, la pression de pompage P est alors négative, ce qui signifie que le travail de transvasement des gaz dans les cylindres est négatif. Ce travail a donc un impact négatif sur le rendement du moteur à combustion interne 10. Toutefois, cette pression de pompage P est moins négative que si les vannes 46, 56 étaient fermées (courbe discontinue).
Par conséquent, comme le montre la courbe continue de la figure 4, le couple C et la puissance développés par le moteur à haut régime sont importants.
Ils sont en particulier meilleurs que si les vannes étaient fermées. Ils atteignent même environ les valeurs de couple et de puissance d'un moteur de même cylindrée comportant un unique collecteur d'échappement.
La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Moteur à combustion interne (10) comprenant au moins quatre cylindres (11 , 12, 13, 14), un turbocompresseur (30) pourvu d'une turbine (32) à deux volutes (33, 34), et deux collecteurs d'échappement (40, 50) indépendants dont l'un (40) raccorde au moins deux desdits cylindres (1 1 , 14) à l'une des deux volutes (33) de ladite turbine (32) et dont l'autre (50) raccorde au moins deux autres desdits cylindres (12, 13) à l'autre des deux volutes (34) de ladite turbine (32), caractérisé en ce qu'il comporte en outre deux volumes de réserve (45, 55) dont l'un (45) débouche dans l'un desdits collecteurs d'échappement (40) et dont l'autre (55) débouche dans l'autre desdits collecteurs d'échappement (50), et une vanne (46, 56) positionnée au débouché de chaque volume de réserve (45, 55).
2. Moteur à combustion interne (10) selon la revendication précédente, comportant des moyens de pilotage desdites vannes (46, 56) qui sont adaptés, d'une part, à ouvrir lesdites vannes (46, 56) lorsque le régime du moteur à combustion interne (10) dépasse une première valeur seuil comprise en 3500 et 5000 tours par minute, et, d'autre part, à fermer lesdites vannes (46, 56) lorsque le régime du moteur à combustion interne (10) passe en-deçà d'une seconde valeur seuil inférieure à la première valeur seuil et comprise en 3000 et 4500 tours par minute.
3. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications précédentes, comportant quatre cylindres (1 1 , 12, 13, 14), dont, classés par ordre d'allumage, un premier cylindre (1 1 ), un troisième cylindre (13), un quatrième cylindre (14) et un deuxième cylindre (12), les premier et quatrième cylindres (1 1 , 14) étant raccordés à l'un des deux collecteurs d'échappement (40), et les deuxième et quatrième cylindres (12, 13) étant raccordés à l'autre des deux collecteurs d'échappement (50).
4. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites vannes (46, 56) sont de type vanne à papillon.
5. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites vannes (46, 56) sont actionnées par des moyens d'actionnement électromécaniques ou pneumatiques communs.
6. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, chaque collecteur d'échappement (40, 50) comportant des parties distinctes (42, 43, 52, 53) reliées indépendamment les unes des autres aux cylindres (1 1 , 12, 13, 14) associés, une partie commune (41 , 51 ) reliée à l'une desdites volutes (33, 34), et une zone de raccord (44, 54) entre lesdites parties distinctes (42, 43, 52, 53) et ladite partie commune (41 , 51 ), le débouché de chaque volume de réserve (45, 55) dans le collecteur d'échappement (40, 50) associé est situé à proximité de ladite zone de raccord (44, 54), en aval de celle- ci.
7. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, l'ensemble des cylindres (11 , 12, 13, 14) présentant une cylindrée donnée, la contenance de chaque volume de réserve (45, 55) est supérieure au huitième de ladite cylindrée.
8. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque volume de réserve (45, 55) comporte un conduit de jonction (47, 57) par lequel il débouche dans le collecteur d'échappement (40, 50) correspondant, ledit conduit de jonction (47, 57) comprenant intérieurement l'une desdites vannes (46, 56) et présentant une section dont la surface est comprise entre 0,15 et 1 fois la surface de la section du collecteur d'échappement (40, 50) au niveau du débouché dudit volume de réserve (45, 55).
9. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la turbine (32) comporte une unique roue à aubes (35) entourée par lesdites deux volutes (33, 34).
10. Moteur à combustion interne (10) selon l'une des revendications 1 à
8, dans lequel la turbine (32) comporte deux roues à aubes montées sur un axe commun, dont l'une est entourée par l'une desdites deux volutes et dont l'autre est entourée par l'autre desdites deux volutes.
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