WO2001051786A1 - Method and device for improving the operation of supercharged internal combustion engines at low engine revs - Google Patents

Method and device for improving the operation of supercharged internal combustion engines at low engine revs Download PDF

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WO2001051786A1
WO2001051786A1 PCT/FR2001/000053 FR0100053W WO0151786A1 WO 2001051786 A1 WO2001051786 A1 WO 2001051786A1 FR 0100053 W FR0100053 W FR 0100053W WO 0151786 A1 WO0151786 A1 WO 0151786A1
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exhaust
cylinder
manifold
valve
intake
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PCT/FR2001/000053
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WO2001051786B1 (en
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Daniel Drecq
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Daniel Drecq
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12Control of the pumps
    • F02B37/18Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F02B37/183Arrangements of bypass valves or actuators therefor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B37/12Control of the pumps
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/02Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for improving the operation at low speed of a four-stroke supercharged engine and to an engine arranged for the implementation of this method. More specifically, the invention relates to heat engines in which an exhaust valve of a cylinder is open during part of a suction phase of said cylinder to store an intake mixture in an exhaust manifold in order to post-fill the cylinder.
  • combustion engines supercharged by means of a turbocharger increasing the air pressure at the intake have a response time to acceleration affecting driving comfort.
  • a temporary lack of charge air occurs during the acceleration phase; this temporary lack of air results in the emission of puffs of black smoke from the exhaust, which are indicative of poor combustion resulting from this lack of air.
  • the supercharging of intake air of a heat engine is carried out by means of a turbocharger comprising a turbine driven by the exhaust gases, said turbine driving a compressor compressing the intake air to supercharge the heat engine.
  • the increase in the intake air pressure makes it possible to increase, at constant volume, the mass of air introduced into the cylinder of the heat engine during the intake phase.
  • An additional increase in this mass of intake air can be obtained by cooling the air circulating between the compressor outlet and the air intake manifold.
  • the presence of the acceleration response time is explained by the fact that the energy recoverable in the exhaust gases to actuate the turbine of the turbocharger is not instantly available.
  • the driver accelerates the quantity of fuel admitted or injected is increased, while the intake air is not yet compressed to supercharge the engine with an amount of air corresponding to good combustion of the amount admitted fuel.
  • the enthalpy of exhaust gas is then not sufficient for the turbocharger turbine to recover enough energy to compress the intake air.
  • This transient acceleration phase corresponds to combustion in very rich mode, that is to say with an excess of fuel which thus generates, in the case of diesel engine, puffs of black smoke at the exhaust.
  • first cylinder provided with an intake valve to alternatively open or close a communication between said first cylinder and an intake manifold and a valve exhaust to alternatively open or close a communication between said first cylinder and an exhaust manifold,
  • valve control means for controlling an opening of said exhaust valve after an opening of said intake valve during part of an intake phase of said first cylinder, in order to transfer intake air from said intake manifold through said first cylinder to said exhaust manifold and temporarily storing in said exhaust manifold said transferred intake air,
  • - supercharging means for generating a supercharging pressure in said intake manifold so that, during said transfer, said supercharging pressure is greater than the pressure in said first cylinder and that the pressure in said first cylinder is greater than pressure in said exhaust manifold, said supercharging means comprising a main turbocharger or other main compression means to essentially contribute to generating said supercharging pressure when the engine is running at medium or high speed,
  • At least one second cylinder connected to the same exhaust manifold as the first cylinder, the opening of an exhaust valve of said second cylinder being controlled so as to generate an overpressure in said exhaust manifold after closing of said inlet valve of said first cylinder and before closing of said exhaust valve of said first cylinder, said exhaust valve of the first cylinder remaining open only during the start of an exhaust phase of the second cylinder.
  • the engine operates at a speed of 1250 rpm and at full load, that is to say that the accelerator is depressed to the maximum.
  • the instant A corresponds to the opening of the exhaust valve, the intake valve being already open.
  • the instant B corresponds to the closing of the intake valve and the instant B 'to the closing of the exhaust valve.
  • the engine operates at a speed of 1000 rpm and at 10% load, that is to say that the accelerator is slightly depressed.
  • the pressure P3 in the exhaust manifold is greater than the pressure P2 in the cylinder, which prevents any transfer of the intake air into the exhaust manifold.
  • it is burnt gases which risk being injected into the cylinder from the exhaust manifold between times A and B 'because the pressure P3 is also higher than the pressure PI in the intake manifold.
  • the engine operates at a speed of 1000 rpm and at full load.
  • the pressure P3 is higher than the pressure P2, which prevents any transfer of intake air into the exhaust manifold.
  • the pressure PI in the intake manifold is greater than the pressure P3 in the exhaust manifold between times A and B, which hinders the injection of burnt gases into the cylinder from the exhaust manifold on this interval.
  • FIG. 6 represents, as a function of a rotation speed ⁇ of the engine, the engine torque F supplied by two different versions of a diesel engine with direct injection of 1.91 of supercharged displacement at using a variable geometry turbocharger, the inlet section of the turbine being controlled by the boost pressure.
  • Curve 50 represents the torque T supplied by such a standard engine for a vehicle, while curve 51 represents the torque F supplied by such a modified engine to implement the known improvement process.
  • Engine modifications relate to the exhaust manifold, valve opening and closing profiles and angles, and injection specifications.
  • the engine torque at low speed for example between 1000 and 1250 rpm
  • the growth rate of the engine torque between 1000 and 1500 rpm min is much too high, which results in very brutal acceleration, qualified as a “kick” effect, which impairs the driver's control of the vehicle.
  • the maximum torque reached at around 2000 rpm is unnecessarily high.
  • the modified engine shows a slight loss of torque at speeds above 3800 rpm, but the maximum vehicle speed is not an important criterion in this case.
  • turbocharger turbine having a smaller section and having a shorter response time.
  • the turbocharger is then unable to ensure operation at full load of the heat engine and the loss of torque at high revs becomes unacceptable.
  • An object of the invention is to remedy the drawbacks of the known technique, in order to improve operation at low speed and / or during an acceleration phase from substantially an idle speed of supercharged thermal engines of the above type.
  • Another object of the invention is to obtain a diagram of acceleration of supercharged engine analogous to the diagram of relatively linear acceleration of the atmospheric engines.
  • Another object of the invention is to provide an increased amount of air to the exhaust to reduce pollution of the engines, in particular to properly burn the injected fuel, by reducing the puffs of black smoke at the exhaust in the case of diesel engines, or by burning the exhaust gases in the exhaust pipe in the case of spark ignition engines.
  • the subject of the invention is a method of the aforementioned type characterized in that it consists, at low speed and / or during at least one acceleration phase from substantially an engine idling speed, of generating the pressure supercharging in the intake manifold essentially using an auxiliary turbocharger with inertia significantly lower than the inertia of the main turbocharger, in order to improve engine operation at low speed.
  • the invention also relates to an engine of the aforementioned type, characterized in that said supercharging means comprise an auxiliary turbocharger with inertia significantly less than the inertia of the main turbocharger, the compressor of said auxiliary turbocharger being connected to said intake manifold to essentially contribute to generating said boost pressure in the intake manifold at least when the engine is running at low speed and / or during an acceleration phase from substantially an engine idle speed.
  • said supercharging means comprise an auxiliary turbocharger with inertia significantly less than the inertia of the main turbocharger, the compressor of said auxiliary turbocharger being connected to said intake manifold to essentially contribute to generating said boost pressure in the intake manifold at least when the engine is running at low speed and / or during an acceleration phase from substantially an engine idle speed.
  • Said exhaust manifold is connected to a branch between an inlet of the turbine of the main turbocharger and an inlet of the turbine of the auxiliary turbocharger, a means for distributing or calibrating flow being provided at said branch to orient part of the gases of exhaust to the turbine inlet of the auxiliary turbocharger at least when the engine is running at low speed and / or during said acceleration phase.
  • - Said exhaust manifold has substantially the same length and substantially the same volume between said branch on the one hand, and respectively the first and second cylinders on the other.
  • - Said exhaust manifold has two openings opening respectively into said first and second cylinders, the section of said openings being substantially greater than an effective section of the main turbine.
  • a first bypass line provided with a first bypass valve is provided between the inlet of the turbine of the main turbocharger and the exhaust pipe, to limit an exhaust gas flow in said main turbine.
  • a second bypass line provided with a second bypass valve is provided between the inlet of the auxiliary turbine and an exhaust pipe, to limit the load of said auxiliary turbine to a predetermined maximum value.
  • Said first and second bypass valves are servocontrolled as a function of the boost pressure so as to maintain the pressures at the outlet of the main compressor and of the auxiliary compressor at substantially equal values.
  • An air intake manifold connects the compressor of the auxiliary turbocharger to said intake manifold, said intake manifold being optionally provided with a refrigerant.
  • a means of orienting a flow of air sucked in by the compressor of the auxiliary turbocharger in the direction of the exhaust is provided to reduce pollution in the exhaust.
  • - Said orientation means is a duct provided with a first servo-controlled valve, said intake manifold being provided with a second servo-controlled valve, said first and second valves being servo-controlled as a function of the boost pressure so as to close the first valve and opening the second valve when said pressure at the outlet of the main compressor is below a predetermined threshold, and opening the first valve and closing the second valve when said pressure at the outlet of the main compressor exceeds said predetermined threshold.
  • the main turbocharger and the auxiliary turbocharger suck in the supply air through a common inlet, preferably through a filter.
  • the engine comprises an even number of cylinders, preferably 4, 6 or 8 cylinders, said cylinders being matched by common exhaust manifolds, the respective operating cycles of the cylinders of each pair being out of phase so that one of said cylinders produces a burst of exhaust gas in the exhaust manifold common to the pair of cylinders so as to generate said overpressure while the other of said cylinders is substantially at the end of a suction phase.
  • the intake manifold is common to all the cylinders.
  • the low operating speed is less than 1300 rpm, preferably less than 1200 rpm, and for example of the order of 1000 rpm or less.
  • the engine is a diesel engine with direct or indirect injection or petrol with direct injection.
  • FIG. 2 schematically shows a second embodiment of the engine according to the invention
  • FIG. 3A shows the evolution of the pressure in a cylinder, in an intake manifold and in a engine exhaust manifold according to the invention during a complete 4-stroke cycle of the cylinder
  • FIG. 3B represents the evolution of the positions of the intake and exhaust valves of the cylinder of FIG. 3A and of the cylinder connected to the same branch of the exhaust manifold, during the complete 4-stroke cycle
  • FIGS. 4A, 4B and 4C represent three successive stages of operation of two cylinders of the engine according to the invention matched by a common exhaust manifold;
  • FIG. 5 represents a cam for controlling the intake and exhaust valves of the engine according to the invention
  • - Figure 6 shows the engine torque as a function of the operating regime for a standard version and a modified version, both according to the prior art, of a diesel engine with direct injection of 1.91 cubic capacity and supercharged at using a variable geometry turbocharger, the inlet section of the turbine being controlled by the boost pressure
  • Figures 7 to 9 are representations similar to that of FIG.
  • FIG. 3A for a four-stroke diesel engine according to the prior art, with indirect injection and of 2.11 cubic capacity, supercharged by a conventional turbocharger, in three different modes of operation;
  • Figure 10 is a partial view in partial section of an exhaust manifold of the engine according to the invention,
  • Figure 11 is a partial view in partial section of an alternative embodiment of the exhaust manifold of Figure 10 .
  • a four-stroke heat engine for example a diesel heat engine, is represented diagrammatically by its engine block M, comprising four cylinders 1, 2, 3, 4, in line represented diagrammatically.
  • Each cylinder 1 to 4 comprises at least one intake duct or manifold 1a to 4a and at least one exhaust duct or manifold 1a to 4a.
  • a main turbocharger 5 comprising a turbine 6 and a compressor 7 is provided for compressing the intake air arriving via a pipe 8 through an atmospheric filter 55.
  • a refrigerant 9 is provided for cooling the compressed air by the compressor 7 before it is admitted to the intake manifolds 1a to 4a.
  • the intake manifolds 1a to 4a are formed by branches connecting an intake conduit 56 common to all the cylinders to each cylinder. i
  • the motor M according to the invention is designed to implement the method described in document WO 95/14853, as will be described below.
  • the exhaust manifolds 1e to 4e actually form two manifolds, each being common to two cylinders.
  • the manifolds 1e and 4e are formed by two end sections of a first common manifold 57 opening out through a middle section 58 into a chamber 10 at the inlet of the main turbine 6.
  • the chamber 10 is shown in the form elongated in FIGS. 1 and 2 only for reasons of readability, but it in fact occupies a generally cylindrical volume of diameter substantially equal to one or two diameters of the sections 1 to 4 and of comparable length, as best seen in FIGS. 10 and 11
  • the collectors 2e and 3e are formed by two end sections of a second common manifold 59 opening out by a median section 60 in the chamber 10.
  • FIG. 4A two of the cylinders of the engine M are shown paired by a common exhaust manifold. These are for example the cylinders 1 and 4 and the manifold 57.
  • the cylinders 2 and 3 matched by the manifold 59 are designed and operate in the same way.
  • the sections 1e and 4e of the common manifold 57 respectively connecting the cylinders 1 and 4 to the middle branch 58 are of the same length and of the same volume.
  • a partially represented piston 25 moves alternately in cylinder 1 between a bottom dead center 26 and a top dead center 27.
  • a partially shown piston 28 moves alternately in cylinder 4 between a bottom dead center 29 and a top dead center 30.
  • the ends of the intake manifold 1a and of the exhaust manifold opening into the cylinder 1 can be opened or closed respectively by an intake valve 31 and an exhaust valve 32.
  • the ends of the intake manifold 4a and of the 4th exhaust manifold opening into the cylinder 4 can be opened or closed respectively by an intake valve 35 and an exhaust valve 36.
  • FIGS. 3A, 3B and 6 to 9 bear on the abscissa a crankshaft angle ⁇ which makes it possible to identify the position of the various pistons of the engine M, which are each phase shifted by 180 ° relative to that which precedes it in the ignition sequence 1-3-4-2, as is known for a four-cylinder, four-stroke engine.
  • the pistons 25 and 28 are phase shifted by substantially 360 °.
  • the angles -360 °, 0 ° and + 360 ° correspond to top dead center 27 and the angles -180 ° and + 180 ° correspond to bottom dead center 26.
  • FIG. 3A the instantaneous pressures PI in the intake manifold 1a, P2 in the cylinder 1 and P3 in the exhaust manifold 1a have been shown on a complete four-stroke cycle of the piston 25.
  • the curve 37 represents the successive positions of the valve 31 during the cycle, between a closed position F and a maximum open position O.
  • the curve 38 represents the positions of the valve 32 and the curve 38 ′ those of the valve 35.
  • FIG. 4A which corresponds to instant A of FIGS. 3A and 3B
  • the valve 31 being open, the piston 25 being near its bottom dead center 26 and driven at a low speed
  • an opening of the exhaust valve 32 is caused.
  • the cylinder 4 is in the combustion / expansion phase and the valve 35 is closed.
  • the pressure PI being substantially equal to the pressure P2 and greater than the pressure P3, the intake air present in the intake manifold la is injected into the cylinder 1, as represented by the arrow 40 and part of this air crosses cylinder 1 to the exhaust manifold 1c to be temporarily stored there, as shown by arrow 41.
  • the intake air transferred to the exhaust manifold cannot be a gasoline-based precarburized mixture, since the high temperature in the exhaust manifold would cause such a mixture to self-ignite.
  • the process is therefore not applicable to a petrol engine with indirect injection.
  • FIG. 4B which corresponds to instant B of FIGS. 3A and 3B
  • the valve 31 is closed.
  • the cylinder 4 being at the start of the exhaust phase, the valve 35 opens and sends a puff of burnt gas into the manifold 57, as shown by the arrow 42, thus generating an overpressure 49 greater than the pressure P2 which causes the intake mixture previously stored in the end section 1c, possibly mixed with burnt gases, to flow back to the cylinder 1, as shown by arrow 43.
  • This thus gives post-filling the cylinder 1 with the intake mixture previously stored.
  • the section 19 of the section Ia open on the cylinder 1 is designed to be larger than the effective section of the turbine 16.
  • the opening of the valve 32 lasts only during the start of the exhaust phase of the cylinder 4, until time B '.
  • FIG. 4C which corresponds to time C. of Figures 3 A and 3B
  • the cylinder 4 continues its exhaust phase in a conventional manner.
  • the open valve 35 causes the flue gases to flow in the manifold 57 and in the middle section 58 towards the turbine (s), as shown by the arrows 44, to drive the turbocharger (s).
  • FIG. 5 there is shown in section a camshaft 45 of the engine M carrying cams intended to cooperate in known manner with cam followers to control the movements of the valves 31 and 32 in accordance with Figure 3B.
  • the arrow 46 indicates the direction of rotation of the shaft 45.
  • the exhaust pipe 47 has a first boss 47a intended to cause a conventional lifting 38a of the exhaust valve 32, as visible in FIG. 3B, and a second boss 47b intended to cause an additional lift 38b of the exhaust valve during the intake phase.
  • the intake cam has a single boss 48 intended to cause the lift 37 of the intake valve 31.
  • the maximum of the lift 38a is marked by the angular mark D. It is located approximately 51 ° before the top dead center of the piston 25, marked by the angular mark E.
  • the maximum of the lift 37, marked by the angular mark I is located approximately 45 ° after top dead center E.
  • the start of the additional lift 38b, identified by the angular reference G, is located approximately 8 ° after the maximum intake I.
  • the maximum of the additional lift 38b, identified by the angular coordinate system H is located approximately 85 ° after top dead center E.
  • the chamber 10 has a first branch 11 which directs part of the exhaust gases into the turbine 6 of the turbocharger 5.
  • the exhaust gases expanded through the turbine 6 are then directed through the outlet 12 of the turbine towards the pot of exhaust 13., comprising a silencer 61 and an outlet 14 to the atmosphere.
  • the chamber 10 has a second branch 21 which directs the other part of the exhaust gases in the turbine 16 of the turbocharger 15.
  • the exhaust gases expanded through the turbine 16 are then oriented by the outlet 63 of the turbine. to the exhaust pipe 13.
  • the auxiliary compressor 17 draws in the intake air through an air inlet 66 common with the main compressor 7 and through the atmospheric filter 55.
  • a refrigerant distinct or not from the refrigerant 9, for cooling the supply air compressed by the turbine 17.
  • the additional turbocharger 15 is much smaller in size than the turbocharger 5 and comprises a turbine 16 capable of being driven by exhaust gases and a compressor 17 capable of compressing the supply air.
  • the size of the turbocharger 15 is such that it is already effective at the engine idling speed M.
  • the turbocharger 15 could be a turbocharger adapted under normal conditions for an engine of 0.5 liters of displacement.
  • the turbocharger 5 is a turbocharger suitable for the medium and high rpm of the engine M which has, for example, two liters of displacement.
  • a first exhaust gas bypass valve 67 known as "waste spoiler", according to the known technique.
  • the bypass valve 67 is controlled to open or close a bypass duct 68 between the branch 11 upstream of the turbine 6 and the outlet 12 of the turbine 6.
  • the bypass valve 67 is controlled by means of a control line 69 as a function of a boost pressure measured at the outlet of the main compressor 7. In high speeds and at high load, the bypass valve 67 is open and limits the boost pressure and therefore the maximum combustion pressure in the engine cylinders M.
  • this small turbocharger 15 is advantageous to provide this small turbocharger 15 with a second exhaust gas bypass valve 64.
  • the bypass valve 64 is controlled to open or close a bypass duct 65 between the branch 21 upstream of the turbine 16 and the outlet 63 of the turbine 16.
  • the distribution of the exhaust flow rates leaving the chamber 10 is carried out between the duct 11 for inlet of the turbine 6, and the duct 21 for the inlet of the turbine 16 by a flow calibration member 34, for example a nozzle , a calibrated orifice or any other means comprising a calibrated section allowing permanent passage of a limited flow of exhaust gas.
  • the flow section of the flow calibration means 34 is predetermined to obtain, from the engine idling speed M and / or from the start of the acceleration phase, a sufficient passage of exhaust gas through the duct 21 to ensure the proper functioning of the "small" turbocharger 15.
  • the turbine 16 of the small turbocharger 15 is of the order of a quarter of the flow rate passing through the inlet duct 11 of the turbine 6 of the "normal” turbocharger 5. Indeed, when the "normal" turbocharger 5 is not within its effective operating range, the turbine 6 causes an additional pressure drop which results in sending a more large amount of exhaust gas through the conduit 21 than the "normal” amount passing through the conduit 21 when the turbocharger 5 is operating at full speed.
  • the means 34 for calibrating the flow rate is replaced by a means for distributing the flow rates mounted at the inlet to the duct 21 in the chamber 10, as shown in FIGS. 10 and 11.
  • a chamber 10 at the end of an exhaust manifold presented in partial section comprises a duct 11 channeling the exhaust gases towards the inlet of a turbine 6, of a turbocharger 5 " normal “and also comprises a pipe 21 for channeling the exhaust gases towards the inlet of a turbine 16 of a" small “turbocharger 15.
  • the distribution of the exhaust gas flows between the conduits 11 and 21 is carried out by a flow modulation valve 22, provided with a control means 25.
  • the valve 22 is analogous to a exhaust gas recirculation control of known type, in particular from document FR 2 744 491.
  • an exhaust gas recycling system for an internal combustion engine comprises a first exhaust gas turbocharger and an additional exhaust gas turbocharger.
  • this arrangement differs entirely from the present invention, since the additional turbocharger of document FR 2 744 491 is intended to compress a quantity of exhaust gas for recycling, and is not used to compress the supply air , as provided in the present invention to decrease the acceleration response time.
  • FIG. 11 another embodiment of the exhaust manifold end chamber 10 is shown in partial section.
  • the valve 22 is eliminated and the distribution of the flow rates between the conduits 11 and 21 is carried out by a flow modulation valve 33 controlled by a control member not shown.
  • the valve 33 is a valve similar to the valve of known type, integrated in the turbine casing of the turbochargers to avoid exceeding a limit pressure of air supercharging.
  • These valves of the type known under the name “waste-gate” have the function in turbochargers of the known type of reducing the flow rate of exhaust gas driving the turbine of the turbocharger, when the boost pressure has reached its maximum value.
  • the valve 33 is shown in its extreme positions: a closed position of the conduit 21 shown in solid lines and a fully open position of the conduit 21 shown in dotted lines.
  • the manifold 18 comprises, downstream of the compressor 17, a servo-controlled valve 71 for opening or closing the manifold 18 in the direction of the intake manifold 56.
  • the intake manifold 18 also comprises, at upstream of the valve 71, a branch 70 towards a discharge pipe 24 for directing the air or part of the air sucked by the compressor 17 directly towards the exhaust 13.
  • the discharge pipe 24 is provided with another servo-controlled valve 23 intended to open or close it.
  • the two valves 71 and 23 are servo-controlled respectively by means of control lines 72 and 73 as a function of the boost pressure measured at the outlet of the compressor 7.
  • the air sucked in through inlet 66 is essentially compressed by compressor 17 of turbocharger 15 with very low response time, is cooled by refrigerant 9 and supplies cylinders 1 to 4 of the engine M. Due to the low inertia of the turbocharger 15 and the energy available in the exhaust gas from idling at low speeds, no notable response time to acceleration is noticeable by the driver.
  • the valve 71 is open and the valve 23 is closed, so that the compressor 17 blows compressed air towards the manifold 56, generating a boost pressure P1 sufficient to transfer, according to the known method, an intake mixture into an exhaust manifold at the time of the joint opening of the valve intake and exhaust valve of a cylinder, that is to say greater than the pressure P2 in the cylinder, itself greater than the pressure P3 in the corresponding exhaust manifold.
  • the enthalpy of the exhaust gases is sufficient to drive not only the small turbine 16 of the small turbocharger 15, but also the turbine 6 of the "normal" turbocharger 5.
  • this essentially contributes to generating the satisfactory boost pressure PI and it is possible to send, by acting on the distribution valve 23, part of the intake air through the duct 24 directly in the exhaust 13.
  • the turbocharger 15 becomes efficient and the increase in the boost pressure closes the valve 71 and opens the valve 23 to send a quantity progressively larger air sucked by the compressor 17 through the pipe 24 in the exhaust 13, in order to reduce pollution at the exhaust.
  • the small turbocharger 15 thus acts as an air generator sent directly to the exhaust, thereby making it possible to reduce the exhaust pollution.
  • the addition of air from the duct 24 makes it possible to burn the unburnt hydrocarbons in the exhaust 13, in a manner known per se, which reduces polluting emissions.
  • the addition of additional air allows dilution of the exhaust gases, in a manner also known, which also contributes to reducing pollution.
  • a second embodiment of the invention comprises elements identical or functionally equivalent to the elements in FIG. 1 and identified by reference figures identical to the figures in FIG. 1.
  • the two servo-controlled valves 71 and 23 are eliminated, as well as the duct 24.
  • the auxiliary compressor 17 blows compressed air only towards the intake manifold 56, through the refrigerant 9.
  • the bypass valve 64 is obligatorily provided.
  • the bypass valves 64 and 67 are controlled as a function of the boost pressure at the outlet of the main compressor 7 by means of the control lines 53 and 69 respectively.
  • Automatic control means 54 make it possible to control the opening and closing of the bypass valves so that the pressure at the outlet of the main compressor 7 and of the auxiliary compressor 17 remain substantially equal, which avoids any risk of air reflux at wrong in one of the compressors.
  • the operation of the engine in the second embodiment is as follows: at low speed or during acceleration from substantially the idle speed, the valve 64 is closed, so that the auxiliary turbocharger 15 with low response time essentially contributes to generating the boost pressure in the manifold 56.
  • the valves 64 and 67 open to limit it to the maximum values allowed by the engine.
  • the adaptation of the main turbocharger 5 and the auxiliary turbocharger 15 is such that the pressure differences PI-P2 and P2-P3 are positive during the intervals where this is required by the known improvement process, whatever or the engine operating speed. Adaptation of main turbocharger 5 at high speeds is facilitated.
  • the auxiliary turbocharger 15 essentially serves to create the necessary pressure differences as soon as the engine idles and, for example, up to 1200 or 1300 rpm.
  • the curve 52 represents the engine torque F supplied by an engine according to the invention as a function of the operating speed ⁇ of the engine.
  • the torque r is improved from the idling speed compared to that of the modified engine of the prior art (curve 51), that the growth of the torque between appreciably the idling speed and the maximum torque speed is less abrupt that in the modified engine of the prior art, that the maximum torque is lower than in the modified engine of the prior art and that the torque at high speed is not deteriorated compared to the modified engine of the prior art .
  • the use according to the invention of the small turbocharger 15 combined with the method for improving the operation of a supercharged and air-swept heat engine, described in document WO 95/14853 makes it possible to create, in the idle zones at low loads and revs, the pressure difference between the intake manifold and the exhaust manifold, necessary for the transfer of fresh air into the exhaust manifold to then post-fill the cylinder using the energy from the exhaust puff of another cylinder.
  • the advantage of increasing torque at low revs described in document WO 95/14853 can be real as soon as idling and erase the "hole" during acceleration followed by a "kick” effect then .
  • the general response time of the supercharged combustion engine is therefore reduced.
  • the engine's response to acceleration from substantially the idle speed is linearized.
  • the invention therefore covers also all combinations of the device described in FIG. 1 with the arrangements described in document WO 95/14853, the content of which is considered to be incorporated by reference to the present application.
  • the invention applies to supercharged engines having a number of cylinders such that the specific arrangements of the exhaust manifold make it possible to use the energy of a puff of a cylinder at the start of the exhaust phase to post-fill.
  • the engine M could be with 6 cylinders in lines or 8 cylinders in V.
  • the regrouping of the cylinders by common manifolds would be ineffective due to too great length of said manifolds, so that the application of the invention to these engines is, if not impossible, at least difficult and not very advantageous.

Abstract

The supercharged 4-stroke internal combustion engine (M) comprises: a first cylinder (1) provided with an intake valve and an exhaust valve; means for controlling the opening of said exhaust valve after the opening of the intake valve during part of the intake phase of the above-mentioned cylinder; supercharging means generating boost pressure in an intake manifold (56, 1a) so that the boost pressure is greater than the pressure inside the first cylinder and the pressure inside the first cylinder is greater than the pressure in an exhaust manifold (57, 1e), said supercharging means including a main turbocharger (5); in addition to at least one second cylinder (4) connected to the same exhaust manifold (57) as the first cylinder, whereby the supercharging means include an auxiliary turbocompressor (15) and the inertia thereof is considerably lower than the inertia of the main turbocompressor (5).

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR AMELIORER LE FONCTIONNEMENT À BAS RÉGIME DES MOTEURS THERMIQUES SURALIMENTÉS.METHOD AND DEVICE FOR IMPROVING LOW RPM OPERATION OF SUPERCHARGED THERMAL ENGINES.
L'invention est relative à un procédé pour améliorer le fonctionnement à bas régime d'un moteur thermique à quatre temps suralimenté et à un moteur agencé pour la mise en œuvre de ce procédé. Plus précisément, l'invention concerne les moteurs thermiques dans lesquels une soupape d'échappement d'un cylindre est ouverte pendant une partie d'une phase d'aspiration dudit cylindre pour stocker un mélange d'admission dans un collecteur d'échappement afin de post-remplir le cylindre.The invention relates to a method for improving the operation at low speed of a four-stroke supercharged engine and to an engine arranged for the implementation of this method. More specifically, the invention relates to heat engines in which an exhaust valve of a cylinder is open during part of a suction phase of said cylinder to store an intake mixture in an exhaust manifold in order to post-fill the cylinder.
Actuellement, les moteurs thermiques suralimentés au moyen d'un turbocompresseur augmentant la pression d'air à l'admission présentent un temps de réponse à l'accélération nuisant au confort de conduite. En particulier, dans le cas de moteur diesel, un manque temporaire d'air de suralimentation se produit lors de la phase d'accélération ; ce manque temporaire d'air se traduit par l'émission de bouffées de fumée noire à l'échappement, qui sont révélatrices d'une mauvaise combustion résultant de ce manque d'air. La suralimentation en air d'admission d'un moteur thermique est effectuée grâce à un turbocompresseur comprenant une turbine entraînée par les gaz d'échappement, ladite turbine entraînant un compresseur comprimant l'air d'admission pour suralimenter ie moteur thermique. L'augmentation de la pression d'air à l'admission permet d'augmenter à volume constant la masse d'air introduite dans le cylindre du moteur thermique pendant la phase d'admission. Une augmentation supplémentaire de cette masse d'air admis peut être obtenue par un refroidissement de l'air circulant entre la sortie du compresseur et le collecteur d'admission d'air. A cet effet, on dispose généralement un réfrigérant d'air entre la sortie du compresseur et l'admission du moteur thermique.Currently, combustion engines supercharged by means of a turbocharger increasing the air pressure at the intake have a response time to acceleration affecting driving comfort. In particular, in the case of a diesel engine, a temporary lack of charge air occurs during the acceleration phase; this temporary lack of air results in the emission of puffs of black smoke from the exhaust, which are indicative of poor combustion resulting from this lack of air. The supercharging of intake air of a heat engine is carried out by means of a turbocharger comprising a turbine driven by the exhaust gases, said turbine driving a compressor compressing the intake air to supercharge the heat engine. The increase in the intake air pressure makes it possible to increase, at constant volume, the mass of air introduced into the cylinder of the heat engine during the intake phase. An additional increase in this mass of intake air can be obtained by cooling the air circulating between the compressor outlet and the air intake manifold. For this purpose, there is generally an air cooler between the outlet of the compressor and the intake of the heat engine.
La présence du temps de réponse à l'accélération est expliquée par le fait que l'énergie récupérable dans les gaz d'échappement pour actionner la turbine du turbocompresseur n'est pas disponible instantanément. En effet, lorsque le conducteur accélère, la quantité de carburant admis ou injecté est augmentée, tandis que l'air d'admission n'est pas encore comprimé pour suralimenter le moteur selon une quantité d'air correspondant à une bonne combustion de la quantité de carburant admise. L'enthalpie des gaz d'échappement n'est pas alors suffisante pour que la turbine du turbocompresseur puisse récupérer suffisamment d'énergie pour comprimer l'air d'admission. Cette phase transitoire d'accélération correspond à une combustion en mode très riche, c'est-à-dire avec un excès de carburant qui engendre ainsi, dans le cas de moteur diesel, des bouffées de fumée noire à l'échappement.The presence of the acceleration response time is explained by the fact that the energy recoverable in the exhaust gases to actuate the turbine of the turbocharger is not instantly available. When the driver accelerates, the quantity of fuel admitted or injected is increased, while the intake air is not yet compressed to supercharge the engine with an amount of air corresponding to good combustion of the amount admitted fuel. The enthalpy of exhaust gas is then not sufficient for the turbocharger turbine to recover enough energy to compress the intake air. This transient acceleration phase corresponds to combustion in very rich mode, that is to say with an excess of fuel which thus generates, in the case of diesel engine, puffs of black smoke at the exhaust.
On connaît par le document WO 95/14853 un procédé pour améliorer le fonctionnement d'un moteur thermique à quatre temps, suralimenté au moyen d'au moins un turbocompresseur principal ou d'un autre moyen principal de compression, dans lequel on effectue lçs étapes suivantes :Document WO 95/14853 discloses a method for improving the operation of a four-stroke thermal engine, supercharged by means of at least one main turbocharger or another main compression means, in which the steps are carried out following:
- ouvrir une soupape d'échappement en même temps qu'une soupape d'admission d'un premier cylindre du moteur pendant au moins une partie d'une phase d'admission dudit premier cylindre, afin de transférer de l'air d'admission depuis un collecteur d'admission à travers ledit premier cylindre jusqu'à un collecteur d'échappement, une pression de suralimentation étant générée dans ledit collecteur d'admission de manière que, pendant ledit transfert, ladite pression de suralimentation soit supérieure à la pression dans ledit premier cylindre et que la pression dans ledit premier cylindre soit supérieure à la pression dans ledit collecteur d'échappement, ladite pression de suralimentation étant générée essentiellement à l'aide dudit turbocompresseur principal lorsque le moteur fonctionne à moyen ou haut régime, - stocker temporairement dans ledit collecteur d'échappement ledit air d'admission transféré,- open an exhaust valve at the same time as an intake valve of a first engine cylinder during at least part of an intake phase of said first cylinder, in order to transfer intake air from an intake manifold through said first cylinder to an exhaust manifold, a boost pressure being generated in said intake manifold so that, during said transfer, said boost pressure is greater than the pressure in said first cylinder and the pressure in said first cylinder is greater than the pressure in said exhaust manifold, said boost pressure being generated essentially by means of said main turbocharger when the engine is operating at medium or high speed, - temporarily store in said exhaust manifold said transferred intake air,
- générer une surpression dans ledit collecteur d'échappement après la fermeture de la soupape d'admission et avant la fermeture de la soupape d'échappement du premier cylindre au moyen d'une bouffée d'échappement d'un deuxième cylindre relié au même collecteur d'échappement que le premier cylindre, afin de post-remplir ledit premier cylindre avec ledit air d'admission préalablement stocké dans ledit collecteur d'échappement, éventuellement mélangé avec des gaz d'échappement. On connaît aussi, d'après le document WO 95/14853, un moteur thermique à quatre temps suralimenté agencé pour la mise en œuvre du procédé ci-dessus, dans lequel sont prévus :- generate an overpressure in said exhaust manifold after closing the intake valve and before closing the exhaust valve of the first cylinder by means of an exhaust puff from a second cylinder connected to the same manifold the first cylinder, in order to post-fill said first cylinder with said intake air previously stored in said exhaust manifold, possibly mixed with exhaust gases. Also known, from document WO 95/14853, is a four-stroke supercharged thermal engine arranged for the implementation of the above method, in which are provided:
- un premier cylindre muni d'une soupape d'admission pour alternativement ouvrir ou fermer une communication entre ledit premier cylindre et un collecteur d'admission et d'une soupape d'échappement pour alternativement ouvrir ou fermer une communication entre ledit premier cylindre et un collecteur d'échappement,- a first cylinder provided with an intake valve to alternatively open or close a communication between said first cylinder and an intake manifold and a valve exhaust to alternatively open or close a communication between said first cylinder and an exhaust manifold,
- des moyens de commande de soupapes pour commander une ouverture de ladite soupape d'échappement après une ouverture de ladite soupape d'admission pendant une partie d'une phase d'admission dudit premier cylindre, afin de transférer de l'air d'admission depuis ledit collecteur d'admission à travers ledit premier cylindre jusqu'audit collecteur d'échappement et de stocker temporairement dans ledit collecteur d'échappement ledit air d'admission transféré,- valve control means for controlling an opening of said exhaust valve after an opening of said intake valve during part of an intake phase of said first cylinder, in order to transfer intake air from said intake manifold through said first cylinder to said exhaust manifold and temporarily storing in said exhaust manifold said transferred intake air,
- des moyens de suralimentation pour générer une pression de suralimentation dans ledit collecteur d'admission de manière que, pendant ledit transfert, ladite pression de suralimentation soit supérieure à la pression dans ledit premier cylindre et que la pression dans ledit premier cylindre soit supérieure à la pression dans ledit collecteur d'échappement, lesdits moyens de suralimentation comprenant un turbocompresseur principal ou un autre moyen principal de compression pour contribuer essentiellement à générer ladite pression de suralimentation lorsque le moteur fonctionne à moyen ou haut régime,- supercharging means for generating a supercharging pressure in said intake manifold so that, during said transfer, said supercharging pressure is greater than the pressure in said first cylinder and that the pressure in said first cylinder is greater than pressure in said exhaust manifold, said supercharging means comprising a main turbocharger or other main compression means to essentially contribute to generating said supercharging pressure when the engine is running at medium or high speed,
- au moins un deuxième cylindre relié au même collecteur d'échappement que le premier cylindre, l'ouverture d'une soupape d'échappement dudit deuxième cylindre étant commandée de façon à générer une surpression dans ledit collecteur d'échappement après la fermeture de ladite soupape d'admission dudit premier cylindre et avant la fermeture de ladite soupape d'échappement dudit premier cylindre, ladite soupape d'échappement du premier cylindre restant ouverte seulement pendant le début d'une phase d'échappement du deuxième cylindre.- At least one second cylinder connected to the same exhaust manifold as the first cylinder, the opening of an exhaust valve of said second cylinder being controlled so as to generate an overpressure in said exhaust manifold after closing of said inlet valve of said first cylinder and before closing of said exhaust valve of said first cylinder, said exhaust valve of the first cylinder remaining open only during the start of an exhaust phase of the second cylinder.
Ces systèmes se révèlent efficaces dans les zones de fonctionnement où il est possible de stocker préalablement de l'air d'admission, et permettent de remédier à l'inadéquation des champs de compresseur avec le besoin en air des moteurs alternatifs. Cependant, la mise en œuvre de ces procédés pour améliorer le fonctionnement d'un moteur thermique suralimenté impose de disposer impérativement d'une différence de pression positive entre un collecteur d'admission et un cylindre d'une part, et entre le cylindre et un collecteur d'échappement d'autre part. Ainsi, contrairement à ce qu'on aurait pu croire d'après l'enseignement du document WO 95/14853, le procédé qu'il décrit est impossible à mettre en œuvre avec un turbocompresseur classique dans lequel la différence de pression positive requise est inexistante dans les zones de faible régime. Ceci sera mieux compris en référence aux figures 7, 8 et 9 annexées.These systems prove effective in operating zones where it is possible to store intake air beforehand, and make it possible to remedy the inadequacy of the compressor fields with the air requirement of the reciprocating engines. However, the implementation of these methods to improve the operation of a supercharged heat engine requires imperatively having a positive pressure difference between an intake manifold and a cylinder on the one hand, and between the cylinder and a exhaust manifold on the other hand. Thus, contrary to what one might have believed from the teaching of document WO 95/14853, the method which it describes is impossible to implement with a conventional turbocharger in which the required positive pressure difference is nonexistent in low speed areas. This will be better understood with reference to Figures 7, 8 and 9 attached.
Sur ces figures, on a représenté, pour un moteur diesel du type ci-dessus, à injection indirecte et de 2,11 de cylindrée, suralimenté par un turbocompresseur classique, l'évolution des pressions instantanées P2 dans le premier cylindre, PI dans son collecteur d'admission et P3 dans son collecteur d'échappement, en fonction d'un angle α repérant une rotation d'une bielle du moteur, pendant un cycle complet à quatre temps dudit cylindre.These figures show, for a diesel engine of the above type, with indirect injection and 2.11 cubic capacity, supercharged by a conventional turbocharger, the evolution of the instantaneous pressures P2 in the first cylinder, PI in its intake manifold and P3 in its exhaust manifold, as a function of an angle α identifying a rotation of an engine connecting rod, during a complete four-stroke cycle of said cylinder.
A la figure 7, le moteur fonctionne à un régime de 1250 tr/min et à pleine charge, c'est-à-dire que l'accélérateur est enfoncé au maximum. L'instant A correspond à l'ouverture de la soupape d'échappement, la soupape d'admission étant déjà ouverte. L'instant B correspond à la fermeture de la soupape d'admission et l'instant B' à la fermeture de la soupape d'échappement. Sur la plage d'ouverture commune des deux soupapes du premier cylindre, entre A et B, on constate que les pressions sont échelonnées dans le bon sens pour permettre le transfert de l'air d'admission, soit P1>P2>P3. Sur la plage de fin d'ouverture de la soupape d'échappement, entre B et B', on constate que les pressions P2 et P3 sont également échelonnées dans le bon sens pour permettre le post-remplissage du cylindre par l'air d'admission préalablement transféré, soit P3>P2.In FIG. 7, the engine operates at a speed of 1250 rpm and at full load, that is to say that the accelerator is depressed to the maximum. The instant A corresponds to the opening of the exhaust valve, the intake valve being already open. The instant B corresponds to the closing of the intake valve and the instant B 'to the closing of the exhaust valve. On the common opening range of the two valves of the first cylinder, between A and B, we see that the pressures are staggered in the right direction to allow the transfer of the intake air, ie P1> P2> P3. On the range at the end of opening of the exhaust valve, between B and B ', it can be seen that the pressures P2 and P3 are also staggered in the right direction to allow post-filling of the cylinder with air from admission previously transferred, i.e. P3> P2.
A la figure 8, le moteur fonctionne à un régime de 1000 tr/min et à 10% charge, c'est-à-dire que l'accélérateur est légèrement enfoncé. Sur la plage d'ouverture commune des deux soupapes du premier cylindre, entre A et B, on constate alors que la pression P3 dans le collecteur d'échappement est supérieure à la pression P2 dans le cylindre, ce qui empêche tout transfert de l'air d'admission dans le collecteur d'échappement. Au contraire, ce sont des gaz brûlés qui risquent d'être injectés dans le cylindre depuis le collecteur d'échappement entre les instants A et B' car la pression P3 est supérieure aussi à la pression PI dans le collecteur d'admission.In FIG. 8, the engine operates at a speed of 1000 rpm and at 10% load, that is to say that the accelerator is slightly depressed. On the common opening range of the two valves of the first cylinder, between A and B, it can then be seen that the pressure P3 in the exhaust manifold is greater than the pressure P2 in the cylinder, which prevents any transfer of the intake air into the exhaust manifold. On the contrary, it is burnt gases which risk being injected into the cylinder from the exhaust manifold between times A and B 'because the pressure P3 is also higher than the pressure PI in the intake manifold.
A la figure 9, le moteur fonctionne à un régime de 1000 tr/min et à pleine charge. Sur la plage d'ouverture commune des deux soupapes du premier cylindre, entre A et B, on constate également que la pression P3 est supérieure à la pression P2, ce qui empêche tout transfert de l'air d'admission dans le collecteur d'échappement. Toutefois, la pression PI dans le collecteur d'admission est supérieure à la pression P3 dans le collecteur d'échappement entre les instants A et B, ce qui entrave l'injection de gaz brûlés dans le cylindre depuis le collecteur d'échappement sur cet intervalle.In FIG. 9, the engine operates at a speed of 1000 rpm and at full load. On the common opening range of the two valves of the first cylinder, between A and B, it can also be seen that the pressure P3 is higher than the pressure P2, which prevents any transfer of intake air into the exhaust manifold. However, the pressure PI in the intake manifold is greater than the pressure P3 in the exhaust manifold between times A and B, which hinders the injection of burnt gases into the cylinder from the exhaust manifold on this interval.
En conclusion, l'exploitation du procédé avec le moteur de l'exemple ci-dessus est possible à 1250 tr/min, mais pas à 1000 tr/min. L'utilisation d'un tel procédé est non seulement inefficace à bas régime dans le cas d'un turbocompresseur classique, mais encore le retard à l'accélération est augmenté et l'effet de poussée lors de l'apparition du couple moteur est également accru.In conclusion, the operation of the process with the motor of the example above is possible at 1250 rpm, but not at 1000 rpm. The use of such a method is not only ineffective at low speed in the case of a conventional turbocharger, but also the acceleration delay is increased and the thrust effect when the engine torque appears is also increased.
Cet inconvénient est illustré sur la ligure 6 annexée, qui représente, en fonction d'une vitesse de rotation Ω du moteur, le couple moteur F fourni par deux versions différentes d'un moteur diesel à injection directe de 1,91 de cylindrée suralimenté à l'aide d'un turbocompresseur à géométrie variable, la section d'entrée de la turbine étant asservie à la pression de suralimentation. La courbe 50 représente le couple T fourni par un tel moteur standard pour véhicule, tandis que la courbe 51 représente le couple F fourni par un tel moteur modifié pour mettre en oeuvre le procédé d'amélioration connu. Les modifications du moteur concernent le collecteur d'échappement, les profils et les angles d'ouverture et de fermeture des soupapes et les spécifications d'injection.This drawback is illustrated in the attached FIG. 6, which represents, as a function of a rotation speed Ω of the engine, the engine torque F supplied by two different versions of a diesel engine with direct injection of 1.91 of supercharged displacement at using a variable geometry turbocharger, the inlet section of the turbine being controlled by the boost pressure. Curve 50 represents the torque T supplied by such a standard engine for a vehicle, while curve 51 represents the torque F supplied by such a modified engine to implement the known improvement process. Engine modifications relate to the exhaust manifold, valve opening and closing profiles and angles, and injection specifications.
Comme visible sur la figure 6, le couple moteur F fourni par le moteur modifié est effectivement accru par rapport au moteur standard sur une large plage de régimes allant de Ω=l 000 tr/min à environ 3800 tr/min. Cependant, pour le moteur modifié, d'une part, le couple moteur à bas régime, par exemple entre 1000 et 1250 tr/min, n'est pas encore assez élevé et le taux de croissance du couple moteur entre 1000 et 1500 tr/min est beaucoup trop important, ce qui se traduit par une accélération très brutale, qualifiée d'effet « coup de pied », qui nuit à la maîtrise du véhicule par le conducteur. D'autre part, le couple maximal atteint à environ 2000 tr/min est inutilement élevé. Par ailleurs, le moteur modifié accuse une légère perte de couple aux régimes supérieurs à 3800 tr/min, mais la vitesse maximale du véhicule n'est pas un critère important dans ce cas.As can be seen in FIG. 6, the engine torque F supplied by the modified engine is effectively increased compared to the standard engine over a wide range of revolutions going from Ω = 1,000 rpm to approximately 3800 rpm. However, for the modified engine, on the one hand, the engine torque at low speed, for example between 1000 and 1250 rpm, is not yet high enough and the growth rate of the engine torque between 1000 and 1500 rpm min is much too high, which results in very brutal acceleration, qualified as a “kick” effect, which impairs the driver's control of the vehicle. On the other hand, the maximum torque reached at around 2000 rpm is unnecessarily high. In addition, the modified engine shows a slight loss of torque at speeds above 3800 rpm, but the maximum vehicle speed is not an important criterion in this case.
Le retard à l'accélération suivi d'une poussée importante lors de la mise en action efficace du turbocompresseur a un effet d'inconfort de conduite indésirable. Pour y remédier, il est possible d'utiliser une turbine de turbocompresseur présentant une section plus petite et ayant un temps de réponse plus court. Cependant, si la section de turbine du turbocompresseur est réduite, le turbocompresseur est alors incapable d'assurer le fonctionnement à pleine charge du moteur thermique et la perte de couple aux régimes élevés devient inacceptable.The delay in acceleration followed by a significant thrust during the effective activation of the turbocharger has an effect unwanted driving discomfort. To remedy this, it is possible to use a turbocharger turbine having a smaller section and having a shorter response time. However, if the turbine section of the turbocharger is reduced, the turbocharger is then unable to ensure operation at full load of the heat engine and the loss of torque at high revs becomes unacceptable.
On pourrait aussi réduire la pression P3 à l'échappement en accroissant la section efficace de la turbine. Cependant, ceci provoquerait une réduction de la vitesse de rotation de la turbine et donc de la pression de suralimentation. Par conséquent, le couple maximal serait diminué d'autant ainsi que le couple à bas régime.One could also reduce the pressure P3 at the exhaust by increasing the cross section of the turbine. However, this would cause a reduction in the speed of rotation of the turbine and therefore in the boost pressure. Consequently, the maximum torque would be reduced as much as the torque at low speed.
Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients de la technique connue, pour améliorer le fonctionnement à bas régime et/ou lors d'une phase d'accélération depuis sensiblement un régime de ralenti des moteurs thermiques suralimentés du type ci- dessus.An object of the invention is to remedy the drawbacks of the known technique, in order to improve operation at low speed and / or during an acceleration phase from substantially an idle speed of supercharged thermal engines of the above type.
Un autre but de l'invention est d'obtenir un diagramme d'accélération de moteur suralimenté analogue au diagramme d'accélération relativement linéaire des moteurs atmosphériques.Another object of the invention is to obtain a diagram of acceleration of supercharged engine analogous to the diagram of relatively linear acceleration of the atmospheric engines.
Un autre but de l'invention est de fournir une quantité d'air accrue à l'échappement pour diminuer la pollution des moteurs, notamment pour brûler correctement le combustible injecté, en diminuant les bouffées de fumée noire à l'échappement dans le cas des moteurs diesel, ou en brûlant les gaz d'échappement dans la canalisation d'échappement dans le cas des moteurs à allumage commandé.Another object of the invention is to provide an increased amount of air to the exhaust to reduce pollution of the engines, in particular to properly burn the injected fuel, by reducing the puffs of black smoke at the exhaust in the case of diesel engines, or by burning the exhaust gases in the exhaust pipe in the case of spark ignition engines.
Pour cela, l'invention a pour objet un procédé du type susmentionné caractérisé par le fait qu'il consiste, à bas régime et/ou pendant au moins une phase d'accélération depuis sensiblement un régime de ralenti du moteur, à générer la pression de suralimentation dans le collecteur d'admission essentiellement à l'aide d'un turbocompresseur auxiliaire d'inertie notablement inférieure à l'inertie du turbocompresseur principal, afin d'améliorer le fonctionnement du moteur à bas régime.For this, the subject of the invention is a method of the aforementioned type characterized in that it consists, at low speed and / or during at least one acceleration phase from substantially an engine idling speed, of generating the pressure supercharging in the intake manifold essentially using an auxiliary turbocharger with inertia significantly lower than the inertia of the main turbocharger, in order to improve engine operation at low speed.
L'invention a également pour objet un moteur du type susmentionné, caractérisé par le fait que lesdits moyens de suralimentation comportent un turbocompresseur auxiliaire d'inertie notablement inférieure à l'inertie du turbocompresseur principal, le compresseur dudit turbocompresseur auxiliaire étant relié audit collecteur d'admission pour contribuer essentiellement à générer ladite pression de suralimentation dans le collecteur d'admission au moins lorsque le moteur fonctionne à bas régime et/ou pendant une phase d'accélération depuis sensiblement un régime de ralenti du moteur.The invention also relates to an engine of the aforementioned type, characterized in that said supercharging means comprise an auxiliary turbocharger with inertia significantly less than the inertia of the main turbocharger, the compressor of said auxiliary turbocharger being connected to said intake manifold to essentially contribute to generating said boost pressure in the intake manifold at least when the engine is running at low speed and / or during an acceleration phase from substantially an engine idle speed.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention :According to other advantageous features of the invention:
- ledit collecteur d'échappement est relié à un embranchement entre une entrée de la turbine du turbocompresseur principal et une entrée de la turbine du turbocompresseur auxiliaire, un moyen de répartition ou de calibrage de débit étant prévu audit embranchement pour orienter une partie des gaz d'échappement vers l'entrée de la turbine du turbocompresseur auxiliaire au moins lorsque le moteur fonctionne à bas régime et/ou pendant ladite phase d'accélération.- Said exhaust manifold is connected to a branch between an inlet of the turbine of the main turbocharger and an inlet of the turbine of the auxiliary turbocharger, a means for distributing or calibrating flow being provided at said branch to orient part of the gases of exhaust to the turbine inlet of the auxiliary turbocharger at least when the engine is running at low speed and / or during said acceleration phase.
- ledit collecteur d'échappement présente sensiblement une même longueur et sensiblement un même volume entre ledit embranchement d'une part, et respectivement les premier et deuxième cylindres d'autre part. - ledit collecteur d'échappement présente deux ouvertures débouchant respectivement dans lesdits premier et deuxième cylindres, la section desdites ouvertures étant sensiblement supérieure à une section efficace de la turbine principale.- Said exhaust manifold has substantially the same length and substantially the same volume between said branch on the one hand, and respectively the first and second cylinders on the other. - Said exhaust manifold has two openings opening respectively into said first and second cylinders, the section of said openings being substantially greater than an effective section of the main turbine.
- une première conduite de dérivation munie d'une première soupape de dérivation est prévue entre l'entrée de la turbine du turbocompresseur principal et le tuyau d'échappement, pour limiter un débit de gaz d'échappement dans ladite turbine principale.- A first bypass line provided with a first bypass valve is provided between the inlet of the turbine of the main turbocharger and the exhaust pipe, to limit an exhaust gas flow in said main turbine.
- une seconde conduite de dérivation munie d'une seconde soupape de dérivation est prévue entre l'entrée de la turbine auxiliaire et un tuyau d'échappement, pour limiter la charge de ladite turbine auxiliaire à une valeur maximale prédéterminée.- A second bypass line provided with a second bypass valve is provided between the inlet of the auxiliary turbine and an exhaust pipe, to limit the load of said auxiliary turbine to a predetermined maximum value.
- lesdites première et seconde soupapes de dérivation sont servocommandées en fonction de la pression de suralimentation de manière à maintenir les pressions en sortie du compresseur principal et du compresseur auxiliaire à des valeurs sensiblement égales.- Said first and second bypass valves are servocontrolled as a function of the boost pressure so as to maintain the pressures at the outlet of the main compressor and of the auxiliary compressor at substantially equal values.
- une tubulure d'admission d'air relie le compresseur du turbocompresseur auxiliaire audit collecteur d'admission, ladite tubulure d'admission étant éventuellement munie d'un réfrigérant. - un moyen d'orientation d'un débit d'air aspiré par le compresseur du turbocompresseur auxiliaire en direction de l'échappement est prévu pour diminuer la pollution à l'échappement.- An air intake manifold connects the compressor of the auxiliary turbocharger to said intake manifold, said intake manifold being optionally provided with a refrigerant. - A means of orienting a flow of air sucked in by the compressor of the auxiliary turbocharger in the direction of the exhaust is provided to reduce pollution in the exhaust.
- ledit moyen d'orientation est un conduit muni d'une première soupape servocommandée, ladite tubulure d'admission étant munie d'une seconde soupape servocommandée, lesdites première et seconde soupapes étant servocommandées en fonction de la pression de suralimentation de manière à fermer la première soupape et à ouvrir la seconde soupape lorsque ladite pression en sortie du compresseur principal est inférieure à un seuil prédéterminé, et à ouvrir la première soupape et à fermer la seconde soupape lorsque ladite pression en sortie du compresseur principal dépasse ledit seuil prédéterminé.- Said orientation means is a duct provided with a first servo-controlled valve, said intake manifold being provided with a second servo-controlled valve, said first and second valves being servo-controlled as a function of the boost pressure so as to close the first valve and opening the second valve when said pressure at the outlet of the main compressor is below a predetermined threshold, and opening the first valve and closing the second valve when said pressure at the outlet of the main compressor exceeds said predetermined threshold.
- le turbocompresseur principal et le turbocompresseur auxiliaire aspirent l'air d'alimentation par une entrée commune, de préférence à travers un filtre.- the main turbocharger and the auxiliary turbocharger suck in the supply air through a common inlet, preferably through a filter.
- le moteur comporte un nombre pair de cylindres, de préférence, 4, 6 ou 8 cylindres, lesdits cylindres étant appariés par des collecteurs d'échappement communs, les cycles de fonctionnement respectifs des cylindres de chaque paire étant déphasés de manière qu'un desdits cylindres produit une bouffée de gaz d'échappement dans le collecteur d'échappement commun à la paire de cylindres de manière à générer ladite surpression pendant que l'autre desdits cylindres est sensiblement à la fin d'une phase d'aspiration. - le collecteur d'admission est commun à tous les cylindres.- the engine comprises an even number of cylinders, preferably 4, 6 or 8 cylinders, said cylinders being matched by common exhaust manifolds, the respective operating cycles of the cylinders of each pair being out of phase so that one of said cylinders produces a burst of exhaust gas in the exhaust manifold common to the pair of cylinders so as to generate said overpressure while the other of said cylinders is substantially at the end of a suction phase. - the intake manifold is common to all the cylinders.
- le bas régime de fonctionnement est inférieur à 1300 tr/min, de préférence inférieur à 1200 tr/min, et par exemple de l'ordre de 1000 tr/min ou moins. - le moteur est un moteur diesel à injection directe ou indirecte ou essence à injection directe.- The low operating speed is less than 1300 rpm, preferably less than 1200 rpm, and for example of the order of 1000 rpm or less. - the engine is a diesel engine with direct or indirect injection or petrol with direct injection.
L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation du moteur selon l'invention ;The invention will be better understood from the description which follows, given by way of nonlimiting example with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 schematically shows a first embodiment of the engine according to the invention;
- la figure 2 représente schématiquement un second mode de réalisation du moteur selon l'invention ;- Figure 2 schematically shows a second embodiment of the engine according to the invention;
- la figure 3A représente l'évolution de la pression dans un cylindre, dans un collecteur d'admission et dans un collecteur d'échappement du moteur selon l'invention pendant un cycle complet à 4 temps du cylindre ; la figure 3B représente l'évolution des positions des soupapes d'admission et d'échappement du cylindre de la figure 3A et du cylindre connecté sur la même branche du collecteur d'échappement, pendant le cycle complet à 4 temps ; les figures 4A, 4B et 4C représentent trois étapes de fonctionnement successives de deux cylindres du moteur selon l'invention appariés par un collecteur d'échappement commun ; la figure 5 représente une came de commande des soupapes d'admission et d'échappement du moteur selon l'invention ; - la figure 6 représente le couple moteur en fonction du régime de fonctionnement pour une version standard et une version modifiée, toutes deux selon l'art antérieur, d'un moteur diesel à injection directe de 1,91 de cylindrée et suralimenté à l'aide d'un turbocompresseur à géométrie variable, la section d'entrée de la turbine étant asservie à la pression de suralimentation ; les ligures 7 à 9 sont des représentations analogues à celle de la figure 3A pour un moteur diesel à quatre temps selon l'art antérieur, à injection indirecte et de 2,11 de cylindrée, suralimenté par un turbocompresseur classique, dans trois différents modes de fonctionnement ; la figure 10 est une vue partielle en coupe partielle d'un collecteur d'échappement du moteur selon l'invention, - la figure 11 est une vue partielle en coupe partielle d'une variante de réalisation du collecteur d'échappement de la figure 10.- Figure 3A shows the evolution of the pressure in a cylinder, in an intake manifold and in a engine exhaust manifold according to the invention during a complete 4-stroke cycle of the cylinder; FIG. 3B represents the evolution of the positions of the intake and exhaust valves of the cylinder of FIG. 3A and of the cylinder connected to the same branch of the exhaust manifold, during the complete 4-stroke cycle; FIGS. 4A, 4B and 4C represent three successive stages of operation of two cylinders of the engine according to the invention matched by a common exhaust manifold; FIG. 5 represents a cam for controlling the intake and exhaust valves of the engine according to the invention; - Figure 6 shows the engine torque as a function of the operating regime for a standard version and a modified version, both according to the prior art, of a diesel engine with direct injection of 1.91 cubic capacity and supercharged at using a variable geometry turbocharger, the inlet section of the turbine being controlled by the boost pressure; Figures 7 to 9 are representations similar to that of FIG. 3A for a four-stroke diesel engine according to the prior art, with indirect injection and of 2.11 cubic capacity, supercharged by a conventional turbocharger, in three different modes of operation; Figure 10 is a partial view in partial section of an exhaust manifold of the engine according to the invention, - Figure 11 is a partial view in partial section of an alternative embodiment of the exhaust manifold of Figure 10 .
En référence à la figure 1, un moteur thermique à quatre temps, par exemple un moteur thermique diesel, est représenté schématiquement par son bloc moteur M, comportant quatre cylindres 1, 2, 3, 4, en ligne représentés schématiquement. Chaque cylindre 1 à 4 comporte au moins un conduit ou collecteur d'admission la à 4a et au moins un conduit ou collecteur d'échappement le à 4e.With reference to FIG. 1, a four-stroke heat engine, for example a diesel heat engine, is represented diagrammatically by its engine block M, comprising four cylinders 1, 2, 3, 4, in line represented diagrammatically. Each cylinder 1 to 4 comprises at least one intake duct or manifold 1a to 4a and at least one exhaust duct or manifold 1a to 4a.
Un turbocompresseur principal 5 comprenant une turbine 6 et un compresseur 7 est prévu pour comprimer l'air d'admission arrivant par un conduit 8 à travers un filtre atmosphérique 55. Avantageusement, un réfrigérant 9 est prévu pour refroidir l'air comprimé par le compresseur 7 avant son admission dans les collecteurs d'admission la à 4a. Les collecteurs d'admission la à 4a sont formés par des branches reliant un conduit d'admission 56 commun à tous les cylindres à chaque cylindre. i Le moteur M selon l'invention est agencé pour mettre en oeuvre le procédé décrit dans le document WO 95/14853, comme il sera décrit plus bas. Ainsi, les collecteurs d'échappement le à 4e forment en fait deux collecteurs, chacun étant commun à deux cylindres. Par exemple, les collecteurs le et 4e sont formés par deux tronçons d'extrémité d'un premier collecteur commun 57 débouchant par un tronçon médian 58 dans une chambre 10 d'entrée de la turbine principale 6. La chambre 10 est représentée sous une forme allongée sur les figures 1 et 2 uniquement pour des raisons de lisibilité, mais elle occupe en fait un volume globalement cylindrique de diamètre sensiblement égal à un ou deux diamètres des tronçons le à 4e et de longueur comparable, comme mieux visible aux figures 10 et 11. De même, les collecteurs 2e et 3e sont formés par deux tronçons d'extrémité d'un second collecteur commun 59 débouchant par un tronçon médian 60 dans la chambre 10.A main turbocharger 5 comprising a turbine 6 and a compressor 7 is provided for compressing the intake air arriving via a pipe 8 through an atmospheric filter 55. Advantageously, a refrigerant 9 is provided for cooling the compressed air by the compressor 7 before it is admitted to the intake manifolds 1a to 4a. The intake manifolds 1a to 4a are formed by branches connecting an intake conduit 56 common to all the cylinders to each cylinder. i The motor M according to the invention is designed to implement the method described in document WO 95/14853, as will be described below. Thus, the exhaust manifolds 1e to 4e actually form two manifolds, each being common to two cylinders. For example, the manifolds 1e and 4e are formed by two end sections of a first common manifold 57 opening out through a middle section 58 into a chamber 10 at the inlet of the main turbine 6. The chamber 10 is shown in the form elongated in FIGS. 1 and 2 only for reasons of readability, but it in fact occupies a generally cylindrical volume of diameter substantially equal to one or two diameters of the sections 1 to 4 and of comparable length, as best seen in FIGS. 10 and 11 Likewise, the collectors 2e and 3e are formed by two end sections of a second common manifold 59 opening out by a median section 60 in the chamber 10.
Le fonctionnement du moteur M selon le procédé décrit dans le document WO 95/14853 va maintenant être rappelé en référence aux figures 3A à 4C. ! Sur la figure 4A, on a représenté deux des cylindres du moteur M appariés par un collecteur d'échappement commun. Ce sont par exemple les cylindres 1 et 4 et le collecteur 57. Les cylindres 2 et 3 appariés par le collecteur 59 sont conçus et fonctionnent de la même manière. Les tronçons le et 4e du collecteur commun 57 reliant respectivement les cylindres 1 et 4 à la branche médiane 58 sont de même longueur et de même volume.The operation of the motor M according to the method described in document WO 95/14853 will now be recalled with reference to FIGS. 3A to 4C. ! In FIG. 4A, two of the cylinders of the engine M are shown paired by a common exhaust manifold. These are for example the cylinders 1 and 4 and the manifold 57. The cylinders 2 and 3 matched by the manifold 59 are designed and operate in the same way. The sections 1e and 4e of the common manifold 57 respectively connecting the cylinders 1 and 4 to the middle branch 58 are of the same length and of the same volume.
Un piston 25 partiellement représenté se déplace alternativement dans le cylindre 1 entre un point mort bas 26 et un point mort haut 27. Un piston 28 partiellement représenté se déplace alternativement dans le cylindre 4 entre un point mort bas 29 et un point mort haut 30. Les extrémités du collecteur d'admission la et du collecteur d'échappement le débouchant dans le cylindre 1 peuvent être ouvertes ou fermées respectivement par une soupape d'admission 31 et une soupape d'échappement 32. Les extrémités du collecteur d'admission 4a et du collecteur d'échappement 4e débouchant dans le cylindre 4 peuvent être ouvertes ou fermées respectivement par une soupape d'admission 35 et une soupape d'échappement 36.A partially represented piston 25 moves alternately in cylinder 1 between a bottom dead center 26 and a top dead center 27. A partially shown piston 28 moves alternately in cylinder 4 between a bottom dead center 29 and a top dead center 30. The ends of the intake manifold 1a and of the exhaust manifold opening into the cylinder 1 can be opened or closed respectively by an intake valve 31 and an exhaust valve 32. The ends of the intake manifold 4a and of the 4th exhaust manifold opening into the cylinder 4 can be opened or closed respectively by an intake valve 35 and an exhaust valve 36.
Les figure 3A, 3B et 6 à 9 portent en abscisse un angle de vilebrequin α qui permet de repérer la position des différents pistons du moteur M, qui sont chacun déphasés de 180° par rapport à celui qui le précède dans la séquence d'allumage 1-3-4-2, de manière connue pour un moteur à quatre cylindres et à quatre temps. Ainsi, les pistons 25 et 28 sont déphasés de sensiblement 360°. Pour le piston 25, les angles -360°, 0° et +360° correspondent au point mort haut 27 et les angles -180°et +180° correspondent au point mort bas 26.FIGS. 3A, 3B and 6 to 9 bear on the abscissa a crankshaft angle α which makes it possible to identify the position of the various pistons of the engine M, which are each phase shifted by 180 ° relative to that which precedes it in the ignition sequence 1-3-4-2, as is known for a four-cylinder, four-stroke engine. Thus, the pistons 25 and 28 are phase shifted by substantially 360 °. For piston 25, the angles -360 °, 0 ° and + 360 ° correspond to top dead center 27 and the angles -180 ° and + 180 ° correspond to bottom dead center 26.
A la figure 3A, on a représenté les pressions instantanées PI dans le collecteur d'admission la, P2 dans le cylindre 1 et P3 dans le collecteur d'échappement le sur un cycle complet à quatre temps du piston 25. A la figure 3B, la courbe 37 représente les positions successives de la soupape 31 au cours du cycle, entre une position de fermeture F et une position d'ouverture maximale O. La courbe 38 représente les positions de la soupape 32 et la courbe 38' celles de la soupape 35.In FIG. 3A, the instantaneous pressures PI in the intake manifold 1a, P2 in the cylinder 1 and P3 in the exhaust manifold 1a have been shown on a complete four-stroke cycle of the piston 25. In FIG. 3B, the curve 37 represents the successive positions of the valve 31 during the cycle, between a closed position F and a maximum open position O. The curve 38 represents the positions of the valve 32 and the curve 38 ′ those of the valve 35.
En référence à la figure 4A, qui correspond à l'instant A des figures 3 A et 3B, au cours de la phase d'admission du cylindre 1, la soupape 31 étant ouverte, le piston 25 étant près de son point mort bas 26 et animé d'une faible vitesse, on provoque une ouverture de la soupape d'échappement 32. Pendant ce temps, le cylindre 4 est en phase de combustion/détente et la soupape 35 est fermée. La pression PI étant sensiblement égale à la pression P2 et supérieure à la pression P3, l'air d'admission présent dans le collecteur d'admission la est injecté dans le cylindre 1, comme représenté par la flèche 40 et une partie de cet air traverse le cylindre 1 jusqu'au collecteur d'échappement le pour y être temporairement stocké, comme représenté par la flèche 41.With reference to FIG. 4A, which corresponds to instant A of FIGS. 3A and 3B, during the intake phase of the cylinder 1, the valve 31 being open, the piston 25 being near its bottom dead center 26 and driven at a low speed, an opening of the exhaust valve 32 is caused. During this time, the cylinder 4 is in the combustion / expansion phase and the valve 35 is closed. The pressure PI being substantially equal to the pressure P2 and greater than the pressure P3, the intake air present in the intake manifold la is injected into the cylinder 1, as represented by the arrow 40 and part of this air crosses cylinder 1 to the exhaust manifold 1c to be temporarily stored there, as shown by arrow 41.
L'air d'admission transféré dans le collecteur d'échappement ne peut pas être un mélange précarburé à base d'essence, car la température élevée dans le collecteur d'échappement provoquerait l'autoallumage d'un tel mélange. Le procédé n'est donc pas applicable à un moteur à essence à injection indirecte.The intake air transferred to the exhaust manifold cannot be a gasoline-based precarburized mixture, since the high temperature in the exhaust manifold would cause such a mixture to self-ignite. The process is therefore not applicable to a petrol engine with indirect injection.
En référence à la figure 4B, qui correspond à l'instant B des figures 3A et 3B, à la fin de la phase d'admission du cylindre 1, la soupape 31 est fermée. Le cylindre 4 étant en début de phase d'échappement, la soupape 35 s'ouvre et envoie une bouffée de gaz brûlés dans le collecteur 57, comme représenté par la flèche 42, générant ainsi une surpression 49 supérieure à la pression P2 qui provoque le reflux vers le cylindre 1 du mélange d'admission préalablement stocké dans le tronçon d'extrémité le, éventuellement mélangé avec des gaz brûlés, comme représenté par la flèche 43. On obtient ainsi un post-remplissage du cylindre 1 par le mélange d'admission préalablement stocké.With reference to FIG. 4B, which corresponds to instant B of FIGS. 3A and 3B, at the end of the intake phase of the cylinder 1, the valve 31 is closed. The cylinder 4 being at the start of the exhaust phase, the valve 35 opens and sends a puff of burnt gas into the manifold 57, as shown by the arrow 42, thus generating an overpressure 49 greater than the pressure P2 which causes the intake mixture previously stored in the end section 1c, possibly mixed with burnt gases, to flow back to the cylinder 1, as shown by arrow 43. This thus gives post-filling the cylinder 1 with the intake mixture previously stored.
Pour favoriser l'écoulement de la bouffée d'échappement 42 vers le tronçon le, et non vers la turbine 16, la section 19 du tronçon le ouverte sur le cylindre 1 est conçue plus grande que la section efficace de la turbine 16. L'ouverture de la soupape 32 ne dure que pendant le début de la phase d'échappement du cylindre 4, jusque l'instant B'.To promote the flow of the exhaust puff 42 towards the section Ia, and not towards the turbine 16, the section 19 of the section Ia open on the cylinder 1 is designed to be larger than the effective section of the turbine 16. The opening of the valve 32 lasts only during the start of the exhaust phase of the cylinder 4, until time B '.
En référence à la figure 4C, qui correspond à l'instant C . des figures 3 A et 3B, après fermeture de la soupape 32, le cylindre 4 poursuit sa phase d'échappement de manière classique. La soupape 35 ouverte provoque l'écoulement des gaz brûlés dans le collecteur 57 et dans le tronçon médian 58 vers la ou les turbine(s), comme représenté par les flèches 44, pour entraîner le ou les turbocompresseur(s).With reference to FIG. 4C, which corresponds to time C. of Figures 3 A and 3B, after closing the valve 32, the cylinder 4 continues its exhaust phase in a conventional manner. The open valve 35 causes the flue gases to flow in the manifold 57 and in the middle section 58 towards the turbine (s), as shown by the arrows 44, to drive the turbocharger (s).
En référence à la figure 5, on a représenté en coupe un arbre à came 45 du moteur M portant des cames destinées à coopérer de manière connue avec des suiveurs de came pour commander les mouvements des soupapes 31 et 32 conformément à la figure 3B. La flèche 46 indique le sens de rotation de l'arbre 45. La carne d'échappement 47 comporte un premier bossage 47a destiné à provoquer une levée classique 38a de la soupape d'échappement 32, comme visible à la figure 3B, et un second bossage 47b destiné à provoquer une levée supplémentaire 38b de la soupape d'échappement pendant la phase d'admission. La came d'admission comporte un unique bossage 48 destiné à provoquer la levée 37 de la soupape d'admission 31.Referring to Figure 5, there is shown in section a camshaft 45 of the engine M carrying cams intended to cooperate in known manner with cam followers to control the movements of the valves 31 and 32 in accordance with Figure 3B. The arrow 46 indicates the direction of rotation of the shaft 45. The exhaust pipe 47 has a first boss 47a intended to cause a conventional lifting 38a of the exhaust valve 32, as visible in FIG. 3B, and a second boss 47b intended to cause an additional lift 38b of the exhaust valve during the intake phase. The intake cam has a single boss 48 intended to cause the lift 37 of the intake valve 31.
Le maximum de la levée 38a est repéré par le repère angulaire D. Il est situé environ 51° avant le point mort haut du piston 25, repéré par le repère angulaire E. Le maximum de la levée 37, repéré par le repère angulaire I, est situé environ 45° après le point mort haut E. Le début de la levée supplémentaire 38b, repéré par le repère angulaire G, est situé environ 8° après le maximum d'admission I. Le maximum de la levée supplémentaire 38b, repéré par le repère angulaire H, est situé environ 85° après le point mort haut E. Selon l'invention, on dispose un deuxième turbocompresseur 15, dit turbocompresseur auxiliaire, en dérivation sur les circuits d'admission et d'échappement du moteur thermique. La chambre 10 présente une première branche 11 qui oriente une partie des gaz d'échappement dans la turbine 6 du turbocompresseur 5. Les gaz d'échappement détendus à travers la turbine 6 sont ensuite orientés par la sortie 12 de turbine vers le pot d'échappement 13., comportant un silencieux 61 et une sortie 14 vers l'atmosphère. Pour cela, la chambre 10 présente une seconde branche 21 qui oriente l'autre partie des gaz d'échappement dans la turbine 16 du turbocompresseur 15. Les gaz d'échappement détendus à travers la turbine 16 sont ensuite orientés par la sortie 63 de turbine vers le pot d'échappement 13.The maximum of the lift 38a is marked by the angular mark D. It is located approximately 51 ° before the top dead center of the piston 25, marked by the angular mark E. The maximum of the lift 37, marked by the angular mark I, is located approximately 45 ° after top dead center E. The start of the additional lift 38b, identified by the angular reference G, is located approximately 8 ° after the maximum intake I. The maximum of the additional lift 38b, identified by the angular coordinate system H, is located approximately 85 ° after top dead center E. According to the invention, there is a second turbocharger 15, called an auxiliary turbocharger, bypassed on the intake and exhaust circuits of the heat engine. The chamber 10 has a first branch 11 which directs part of the exhaust gases into the turbine 6 of the turbocharger 5. The exhaust gases expanded through the turbine 6 are then directed through the outlet 12 of the turbine towards the pot of exhaust 13., comprising a silencer 61 and an outlet 14 to the atmosphere. For this, the chamber 10 has a second branch 21 which directs the other part of the exhaust gases in the turbine 16 of the turbocharger 15. The exhaust gases expanded through the turbine 16 are then oriented by the outlet 63 of the turbine. to the exhaust pipe 13.
Le compresseur auxiliaire 17 aspire l'air d'admission à travers une entrée d'air 66 commune avec le compresseur principal 7 et à travers le filtre atmosphérique 55. On prévoit également, de manière avantageuse, sur la tubulure 18 de suralimentation en sortie du compresseur 17, un réfrigérant, distinct ou non du réfrigérant 9, pour refroidir l'air d'alimentation comprimé par la turbine 17.The auxiliary compressor 17 draws in the intake air through an air inlet 66 common with the main compressor 7 and through the atmospheric filter 55. There is also advantageously provided on the supercharging pipe 18 at the outlet of the compressor 17, a refrigerant, distinct or not from the refrigerant 9, for cooling the supply air compressed by the turbine 17.
Le turbocompresseur supplémentaire 15 est de taille très inférieure au turbocompresseur 5 et comporte une turbine 16 apte à être entraînée par des gaz d'échappement et un compresseur 17 apte à comprimer l'air d'alimentation. La dimension du turbocompresseur 15 est telle qu'il est déjà efficace au régime de ralenti du moteur M. A titre d'exemple, le turbocompresseur 15 pourra être un turbocompresseur adapté en régime normal pour un moteur de 0,5 litre de cylindrée.The additional turbocharger 15 is much smaller in size than the turbocharger 5 and comprises a turbine 16 capable of being driven by exhaust gases and a compressor 17 capable of compressing the supply air. The size of the turbocharger 15 is such that it is already effective at the engine idling speed M. As an example, the turbocharger 15 could be a turbocharger adapted under normal conditions for an engine of 0.5 liters of displacement.
Le turbocompresseur 5 est un turbocompresseur adapté pour les moyens et hauts régime du moteur M qui présente, par exemple, deux litres de cylindrée. On prévoit avantageusement de munir le turbocompresseur principal 5 d'une première soupape de dérivation des gaz d'échappement 67, dite "waste gâte", selon la technique connue. La soupape de dérivation 67 est commandée pour ouvrir ou fermer un conduit de dérivation 68 entre la branche 11 en amont de la turbine 6 et la sortie 12 de la turbine 6. La soupape de dérivation 67 est commandée au moyen d'une ligne de commande 69 en fonction d'une pression de suralimentation mesurée en sortie du compresseur principal 7. Dans les régimes élevés et à forte charge, la soupape de dérivation 67 est ouverte et limite la pression de suralimentation et donc la pression maximale de combustion dans les cylindres du moteur M.The turbocharger 5 is a turbocharger suitable for the medium and high rpm of the engine M which has, for example, two liters of displacement. Advantageously, provision is made to provide the main turbocharger 5 with a first exhaust gas bypass valve 67, known as "waste spoiler", according to the known technique. The bypass valve 67 is controlled to open or close a bypass duct 68 between the branch 11 upstream of the turbine 6 and the outlet 12 of the turbine 6. The bypass valve 67 is controlled by means of a control line 69 as a function of a boost pressure measured at the outlet of the main compressor 7. In high speeds and at high load, the bypass valve 67 is open and limits the boost pressure and therefore the maximum combustion pressure in the engine cylinders M.
Pour éviter tout risque de centrifugation du turbocompresseur auxiliaire 15, on peut prévoir avantageusement de munir ce petit turbocompresseur 15 d'une deuxième soupape de dérivation des gaz d'échappement 64. La soupape de dérivation 64 est commandée pour ouvrir ou fermer un conduit de dérivation 65 entre la branche 21 en amont de la turbine 16 et la sortie 63 de la turbine 16.To avoid any risk of centrifugation of the auxiliary turbocharger 15, it is advantageous to provide this small turbocharger 15 with a second exhaust gas bypass valve 64. The bypass valve 64 is controlled to open or close a bypass duct 65 between the branch 21 upstream of the turbine 16 and the outlet 63 of the turbine 16.
La répartition des débits d'échappement sortant de la chambre 10 est effectuée entre le conduit 11 d'entrée de la turbine 6, et le conduit 21 d'entrée de la turbine 16 par un organe 34 de calibrage de débit, par exemple une tuyère, un orifice calibré ou tout autre moyen comportant une section calibrée permettant un passage permanent d'un débit limité de gaz d'échappement. La section de passage du moyen 34 de calibrage de débit est prédéterminée pour obtenir, dès le régime de ralenti du moteur M et/ou dès le début d'une la phase d'accélération, un passage suffisant de gaz d'échappement à travers le conduit 21 pour assurer le bon fonctionnement du "petit" turbocompresseur 15. Ce débit prédéterminé pour démarrer, sans temps de réponse notable, la turbine 16 du petit turbocompresseur 15 est de l'ordre du quart du débit passant par le conduit 11 d'entrée de la turbine 6 du turbocompresseur "normal" 5. En effet, lorsque le turbocompresseur "normal" 5 n'est pas dans sa plage de fonctionnement efficace, la turbine 6 provoque une perte de charge supplémentaire qui a pour résultat d'envoyer une plus grande quantité de gaz d'échappement par le conduit 21 que la quantité "normale" passant par le conduit 21 lorsque le turbocompresseur 5 fonctionne à plein régime.The distribution of the exhaust flow rates leaving the chamber 10 is carried out between the duct 11 for inlet of the turbine 6, and the duct 21 for the inlet of the turbine 16 by a flow calibration member 34, for example a nozzle , a calibrated orifice or any other means comprising a calibrated section allowing permanent passage of a limited flow of exhaust gas. The flow section of the flow calibration means 34 is predetermined to obtain, from the engine idling speed M and / or from the start of the acceleration phase, a sufficient passage of exhaust gas through the duct 21 to ensure the proper functioning of the "small" turbocharger 15. This predetermined flow rate to start, with no significant response time, the turbine 16 of the small turbocharger 15 is of the order of a quarter of the flow rate passing through the inlet duct 11 of the turbine 6 of the "normal" turbocharger 5. Indeed, when the "normal" turbocharger 5 is not within its effective operating range, the turbine 6 causes an additional pressure drop which results in sending a more large amount of exhaust gas through the conduit 21 than the "normal" amount passing through the conduit 21 when the turbocharger 5 is operating at full speed.
En variante, le moyen 34 de calibrage de débit est remplacé par un moyen de répartition des débits monté à l'entrée du conduit 21 dans la chambre 10, comme visible aux figures 10 et 11.As a variant, the means 34 for calibrating the flow rate is replaced by a means for distributing the flow rates mounted at the inlet to the duct 21 in the chamber 10, as shown in FIGS. 10 and 11.
En référence à la figure 10, une chambre 10 d'extrémité d'un collecteur d'échappement présentée en section partielle comporte un conduit 11 canalisant les gaz d'échappement vers l'entrée d'une turbine 6, d'un turbocompresseur 5 "normal" et comporte également une tubulure 21 de canalisation des gaz d'échappement vers l'entrée d'une turbine 16 d'un "petit" turbocompresseur 15. La répartition des débits de gaz d'échappement entre les conduits 11 et 21 est effectuée par une soupape 22 de modulation de débit, munie d'un moyen de commande 25. La soupape 22 est analogue à une soupape de commande de recirculation de gaz d'échappement de type connu, notamment d'après le document FR 2 744 491.With reference to FIG. 10, a chamber 10 at the end of an exhaust manifold presented in partial section comprises a duct 11 channeling the exhaust gases towards the inlet of a turbine 6, of a turbocharger 5 " normal "and also comprises a pipe 21 for channeling the exhaust gases towards the inlet of a turbine 16 of a" small "turbocharger 15. The distribution of the exhaust gas flows between the conduits 11 and 21 is carried out by a flow modulation valve 22, provided with a control means 25. The valve 22 is analogous to a exhaust gas recirculation control of known type, in particular from document FR 2 744 491.
Dans ce document FR 2 744 491, un système de recyclage de gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne comprend un premier turbocompresseur à gaz d'échappement et un turbocompresseur à gaz d'échappement supplémentaire. Cependant, cette disposition diffère entièrement de la présente invention, car le turbocompresseur supplémentaire du document FR 2 744 491 est destiné à comprimer une quantité de gaz d'échappement en vue de son recyclage, et ne sert pas à comprimer l'air d'alimentation, comme cela est prévu dans la présente invention pour diminuer le temps de réponse à l'accélération.In this document FR 2 744 491, an exhaust gas recycling system for an internal combustion engine comprises a first exhaust gas turbocharger and an additional exhaust gas turbocharger. However, this arrangement differs entirely from the present invention, since the additional turbocharger of document FR 2 744 491 is intended to compress a quantity of exhaust gas for recycling, and is not used to compress the supply air , as provided in the present invention to decrease the acceleration response time.
En référence à la figure 11, une autre forme de réalisation de la chambre 10 d'extrémité de collecteur d'échappement est représentée en section partielle. La soupape 22 est supprimée et la répartition des débits entre les conduits 11 et 21 est effectuée par un clapet de modulation de débit 33 commandé par un organe de commande non représenté. Le clapet 33 est un clapet analogue au clapet de type connu, intégré au carter de turbine des turbocompresseurs pour éviter de dépasser une pression limite de suralimentation d'air. Ces clapets de type connu sous l'appellation "waste-gate" ont pour fonction dans les turbocompresseurs de type connu de diminuer le débit de gaz d'échappement entraînant la turbine du turbocompresseur, lorsque la pression de suralimentation a atteint sa valeur maximale.With reference to FIG. 11, another embodiment of the exhaust manifold end chamber 10 is shown in partial section. The valve 22 is eliminated and the distribution of the flow rates between the conduits 11 and 21 is carried out by a flow modulation valve 33 controlled by a control member not shown. The valve 33 is a valve similar to the valve of known type, integrated in the turbine casing of the turbochargers to avoid exceeding a limit pressure of air supercharging. These valves of the type known under the name “waste-gate” have the function in turbochargers of the known type of reducing the flow rate of exhaust gas driving the turbine of the turbocharger, when the boost pressure has reached its maximum value.
Sur la figure 11, le clapet 33 est représenté dans ses positions extrêmes : une position de fermeture du conduit 21 représentée en trait plein et une position d'ouverture totale du conduit 21 représentée en traits pointillés. Dans un premier mode de réalisation du moteur, la tubulure 18 comporte, en aval du compresseur 17, une soupape servocommandée 71 pour ouvrir ou fermer la tubulure 18 en direction du collecteur d'admission 56. La tubulure d'admission 18 comporte également, en amont de la soupape 71, un embranchement 70 vers une tubulure de décharge 24 pour orienter l'air ou une partie de l'air aspiré par le compresseur 17 directement vers l'échappement 13. La tubulure de décharge 24 est munie d'une autre soupape servocommandée 23 destinée à l'ouvrir ou à la fermer. Les deux soupapes 71 et 23 sont servocommandées respectivement au moyen de lignes de commande 72 et 73 en fonction de la pression de suralimentation mesurée en sortie du compresseur 7.In Figure 11, the valve 33 is shown in its extreme positions: a closed position of the conduit 21 shown in solid lines and a fully open position of the conduit 21 shown in dotted lines. In a first embodiment of the engine, the manifold 18 comprises, downstream of the compressor 17, a servo-controlled valve 71 for opening or closing the manifold 18 in the direction of the intake manifold 56. The intake manifold 18 also comprises, at upstream of the valve 71, a branch 70 towards a discharge pipe 24 for directing the air or part of the air sucked by the compressor 17 directly towards the exhaust 13. The discharge pipe 24 is provided with another servo-controlled valve 23 intended to open or close it. The two valves 71 and 23 are servo-controlled respectively by means of control lines 72 and 73 as a function of the boost pressure measured at the outlet of the compressor 7.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant :The operation of the device is as follows:
Au démarrage, et en phase d'accélération, l'air aspiré par l'entrée 66 est essentiellement comprimé par le compresseur 17 du turbocompresseur 15 à très faible temps de réponse, est refroidi par le réfrigérant 9 et alimente les cylindres 1 à 4 du moteur M. En raison de la faible inertie du turbocompresseur 15 et de l'énergie disponible dans les gaz d'échappement du ralenti aux faibles régimes, aucun temps de réponse notable à l'accélération n'est perceptible par le conducteur.At start-up, and in the acceleration phase, the air sucked in through inlet 66 is essentially compressed by compressor 17 of turbocharger 15 with very low response time, is cooled by refrigerant 9 and supplies cylinders 1 to 4 of the engine M. Due to the low inertia of the turbocharger 15 and the energy available in the exhaust gas from idling at low speeds, no notable response time to acceleration is noticeable by the driver.
Pour cela, à bas régime et/ou dans une phase d'accélération depuis sensiblement le régime de ralenti du moteur M, qui est par exemple sensiblement 1000 tr/min, la soupape 71 est ouverte et la soupape 23 est fermée, de sorte que le compresseur 17 souffle de l'air comprimé vers le collecteur 56 en générant une pression de suralimentation PI suffisante pour transférer, selon le procédé connu, un mélange d'admission dans un collecteur d'échappement au moment de l'ouverture conjointe de la soupape d'admission et de la soupape d'échappement d'un cylindre, c'est-à- dire supérieure à la pression P2 dans le cylindre, elle-même supérieure à la pression P3 dans le collecteur d'échappement correspondant.For this, at low speed and / or in an acceleration phase from substantially the idle speed of the engine M, which is for example substantially 1000 rpm, the valve 71 is open and the valve 23 is closed, so that the compressor 17 blows compressed air towards the manifold 56, generating a boost pressure P1 sufficient to transfer, according to the known method, an intake mixture into an exhaust manifold at the time of the joint opening of the valve intake and exhaust valve of a cylinder, that is to say greater than the pressure P2 in the cylinder, itself greater than the pressure P3 in the corresponding exhaust manifold.
Dans les zones de plus forte charge, l'enthalpie des gaz d'échappement est suffisante pour entraîner non seulement la petite turbine 16 du petit turbocompresseur 15, mais également la turbine 6 du turbocompresseur "normal" 5. Dès que le régime de fonctionnement normal du turbocompresseur 5 est atteint, celui-ci contribue essentiellement à générer la pression de suralimentation PI satisfaisante et il est possible d'envoyer, en agissant sur la soupape de répartition 23, une partie de l'air d'admission par le conduit 24 directement dans l'échappement 13.In the areas of higher load, the enthalpy of the exhaust gases is sufficient to drive not only the small turbine 16 of the small turbocharger 15, but also the turbine 6 of the "normal" turbocharger 5. As soon as the normal operating speed turbocharger 5 is reached, this essentially contributes to generating the satisfactory boost pressure PI and it is possible to send, by acting on the distribution valve 23, part of the intake air through the duct 24 directly in the exhaust 13.
Ainsi, lors de la montée en régime du moteur, par exemple à partir de 1200 ou 1300 tr/min, le turbocompresseur 15 devient efficace et l'augmentation de la pression de suralimentation ferme la soupape 71 et ouvre la soupape 23 pour envoyer une quantité progressivement plus grande d'air aspiré par le compresseur 17 par la tubulure 24 dans l'échappement 13, afin de réduire les pollutions à l'échappement.Thus, when the engine rises, for example from 1200 or 1300 rpm, the turbocharger 15 becomes efficient and the increase in the boost pressure closes the valve 71 and opens the valve 23 to send a quantity progressively larger air sucked by the compressor 17 through the pipe 24 in the exhaust 13, in order to reduce pollution at the exhaust.
A régime élevé, par exemple au-delà de 1500 tr/min, le petit turbocompresseur 15 agit ainsi comme générateur d'air envoyé directement à l'échappement, en permettant ainsi de diminuer les pollutions à l'échappement. En effet, pour les moteurs à allumage commandé, l'appoint d'air provenant du conduit 24 permet de brûler les hydrocarbures imbrûlés dans l'échappement 13, de manière connue en soi, ce qui diminue les émissions polluantes. Pour des moteurs thermiques diesel, ou des moteurs à allumage par compression équivalents, l'appoint d'air supplémentaire permet une dilution des gaz d'échappement, de manière également connue, ce qui contribue également à diminuer la pollution.At high speed, for example above 1500 rpm, the small turbocharger 15 thus acts as an air generator sent directly to the exhaust, thereby making it possible to reduce the exhaust pollution. In fact, for spark-ignition engines, the addition of air from the duct 24 makes it possible to burn the unburnt hydrocarbons in the exhaust 13, in a manner known per se, which reduces polluting emissions. For diesel thermal engines, or equivalent compression-ignition engines, the addition of additional air allows dilution of the exhaust gases, in a manner also known, which also contributes to reducing pollution.
En référence à la figure 2, un deuxième mode de réalisation de l'invention comporte des éléments identiques ou fonctionnellement équivalents aux éléments de la figure 1 et repérés par des figures de référence identiques aux chiffres de la figure 1.With reference to FIG. 2, a second embodiment of the invention comprises elements identical or functionally equivalent to the elements in FIG. 1 and identified by reference figures identical to the figures in FIG. 1.
Dans le deuxième mode de réalisation, les deux soupapes servocommandées 71 et 23 sont supprimées, ainsi que le conduit 24. Le compresseur auxiliaire 17 souffle de l'air comprimé uniquement vers le collecteur d'admission 56, à travers le réfrigérant 9. Dans ce cas, la soupape de dérivation 64 est obligatoirement prévue. Les soupapes de dérivation 64 et 67 sont commandées en fonction de la pression de suralimentation en sortie du compresseur principal 7 au moyen des lignes de commandes 53 et 69 respectivement. Des moyens de commande automatiques 54 permettent de commander l'ouverture et la fermeture des soupapes de dérivation de manière que la pression en sortie du compresseur principal 7 et du compresseur auxiliaire 17 restent sensiblement égales, ce qui évite tout risque de reflux d'air à contresens dans un des compresseurs. Le fonctionnement du moteur dans le second mode de réalisation est le suivant : à bas régime ou pendant une accélération depuis sensiblement le régime de ralenti, la soupape 64 est fermée, de sorte que le turbocompresseur auxiliaire 15 à faible temps de réponse contribue essentiellement à générer la pression de suralimentation dans le collecteur 56. Au cours de la montée en régime du moteur, par exemple à partir de 1200 ou 1300 tr/min, le compresseur principal devenant efficace pour générer la pression de suralimentation de manière satisfaisante, les soupapes 64 et 67 s'ouvrent pour limiter celle-ci aux valeurs maximales permises par le moteur.In the second embodiment, the two servo-controlled valves 71 and 23 are eliminated, as well as the duct 24. The auxiliary compressor 17 blows compressed air only towards the intake manifold 56, through the refrigerant 9. In this case, the bypass valve 64 is obligatorily provided. The bypass valves 64 and 67 are controlled as a function of the boost pressure at the outlet of the main compressor 7 by means of the control lines 53 and 69 respectively. Automatic control means 54 make it possible to control the opening and closing of the bypass valves so that the pressure at the outlet of the main compressor 7 and of the auxiliary compressor 17 remain substantially equal, which avoids any risk of air reflux at wrong in one of the compressors. The operation of the engine in the second embodiment is as follows: at low speed or during acceleration from substantially the idle speed, the valve 64 is closed, so that the auxiliary turbocharger 15 with low response time essentially contributes to generating the boost pressure in the manifold 56. During the engine revving, for example from 1200 or 1300 rpm, the main compressor becoming effective in generating the boost pressure satisfactorily, the valves 64 and 67 open to limit it to the maximum values allowed by the engine.
Dans tous les cas, l'adaptation du turbocompresseur principal 5 et du turbocompresseur auxiliaire 15 est telle que les différences de pressions PI— P2 et P2-P3 sont positives pendant les intervalles où cela est requis par le procédé d'amélioration connu, quel que soit le régime de fonctionnement du moteur. L'adaptation du turbocompresseur principal 5 aux hauts régimes en est facilitée. Le turbocompresseur auxiliaire 15 sert essentiellement à créer les différences de pression nécessaires dès le ralenti du moteur et, par exemple, jusqu'à 1200 ou 1300 tr/min. En référence à la figure 6, la courbe 52 représente le couple moteur F fourni par un moteur selon l'invention en fonction de du régime de fonctionnement Ω du moteur. On constate que le couple r est amélioré dès le régime de ralenti par rapport à celui du moteur modifié de l'art antérieur (courbe 51), que la croissance du couple entre sensiblement le régime de ralenti et le régime de couple maximal est moins abrupte que dans le moteur modifié de l'art antérieur, que le couple maximal est moins élevé que dans le moteur modifié de l'art antérieur et que le couple à haut régime n'est pas détérioré par rapport au moteur modifié de l'art antérieur. Ainsi, l'utilisation selon l'invention du petit turbocompresseur 15 combiné avec le procédé pour améliorer le fonctionnement d'un moteur thermique suralimenté et balayé avec de l'air, décrit dans le document WO 95/14853, permet de créer, dans les zones du ralenti aux faibles charges et régimes, la différence de pression entre le collecteur d'admission et le collecteur d'échappement, nécessaire au transfert d'air frais dans le collecteur d'échappement pour post-remplir ensuite le cylindre en utilisant l'énergie de la bouffée d'échappement d'un autre cylindre. De cette façon, l'avantage d'augmentation de couple à bas régime décrit dans le document WO 95/14853 peut être réel dès le ralenti et effacer le "trou" à l'accélération suivi d'un effet "coup de pied" ensuite. Le temps de réponse général du moteur thermique suralimenté est donc diminué. La réponse du moteur à une accélération depuis sensiblement le régime de ralenti est linéarisée. L'invention couvre, par conséquent, également toutes combinaisons du dispositif décrit à la figure 1 avec les dispositions décrites dans le document WO 95/14853, dont le contenu est considéré comme incorporé par référence à la présente demande.In all cases, the adaptation of the main turbocharger 5 and the auxiliary turbocharger 15 is such that the pressure differences PI-P2 and P2-P3 are positive during the intervals where this is required by the known improvement process, whatever or the engine operating speed. Adaptation of main turbocharger 5 at high speeds is facilitated. The auxiliary turbocharger 15 essentially serves to create the necessary pressure differences as soon as the engine idles and, for example, up to 1200 or 1300 rpm. With reference to FIG. 6, the curve 52 represents the engine torque F supplied by an engine according to the invention as a function of the operating speed Ω of the engine. It can be seen that the torque r is improved from the idling speed compared to that of the modified engine of the prior art (curve 51), that the growth of the torque between appreciably the idling speed and the maximum torque speed is less abrupt that in the modified engine of the prior art, that the maximum torque is lower than in the modified engine of the prior art and that the torque at high speed is not deteriorated compared to the modified engine of the prior art . Thus, the use according to the invention of the small turbocharger 15 combined with the method for improving the operation of a supercharged and air-swept heat engine, described in document WO 95/14853, makes it possible to create, in the idle zones at low loads and revs, the pressure difference between the intake manifold and the exhaust manifold, necessary for the transfer of fresh air into the exhaust manifold to then post-fill the cylinder using the energy from the exhaust puff of another cylinder. In this way, the advantage of increasing torque at low revs described in document WO 95/14853 can be real as soon as idling and erase the "hole" during acceleration followed by a "kick" effect then . The general response time of the supercharged combustion engine is therefore reduced. The engine's response to acceleration from substantially the idle speed is linearized. The invention therefore covers also all combinations of the device described in FIG. 1 with the arrangements described in document WO 95/14853, the content of which is considered to be incorporated by reference to the present application.
L'invention s'applique aux moteurs suralimentés présentant un nombre de cylindres tels que les arrangements spécifiques du collecteur d'échappement permettent d'utiliser l'énergie d'une bouffée d'un cylindre en début de phase d'échappement pour post-remplir un autre cylindre connecté sur la même branche de collecteur d'échappement avec un mélange d'admission préalablement stocké dans le collecteur d'échappement. Le moteur M pourrait être à 6 cylindres en lignes ou 8 cylindres en V. En revanche, pour les moteurs à 3 ou 5 cylindres ou 6 cylindres en V, le regroupement des cylindres par des collecteurs communs serait inefficace en raison d'une trop grande longueur desdits collecteurs, de sorte que l'application de l'invention à ces moteurs est, sinon impossible, du moins malaisée et peu avantageuse.The invention applies to supercharged engines having a number of cylinders such that the specific arrangements of the exhaust manifold make it possible to use the energy of a puff of a cylinder at the start of the exhaust phase to post-fill. another cylinder connected to the same exhaust manifold branch with an intake mixture previously stored in the exhaust manifold. The engine M could be with 6 cylinders in lines or 8 cylinders in V. On the other hand, for the engines with 3 or 5 cylinders or 6 cylinders in V, the regrouping of the cylinders by common manifolds would be ineffective due to too great length of said manifolds, so that the application of the invention to these engines is, if not impossible, at least difficult and not very advantageous.
L'invention décrite en référence à plusieurs modes de réalisation particuliers n'y est nullement limitée, et couvre, au contraire, toute modification de forme et toute variante de réalisation, dans le cadre et l'esprit de l'invention, l'essentiel étant d'utiliser un "petit" turbocompresseur pour pallier les lacunes du procédé décrit dans le document WO 95/14853. The invention described with reference to several particular embodiments is in no way limited thereto, and covers, on the contrary, any modification of form and any variant of embodiment, within the scope and spirit of the invention, the essential being to use a "small" turbocharger to overcome the shortcomings of the process described in document WO 95/14853.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour améliorer le fonctionnement à bas régime d'un moteur thermique à quatre temps (M), suralimenté au moyen d'au moins un turbocompresseur principal (5) ou d'un autre moyen principal de compression, ledit procédé comportant les étapes consistant à :1. Method for improving the low-speed operation of a four-stroke thermal engine (M), supercharged by means of at least one main turbocharger (5) or another main compression means, said method comprising the steps consists in :
- ouvrir une soupape d'échappement (32) en même temps qu'une soupape d'admission (31) d'un premier cylindre (1) du moteur pendant au moins une partie d'une phase d'admission dudit premier cylindre, afin de transférer de l'air d'admission (40) depuis un collecteur d'admission (56, la) à travers ledit premier cylindre jusqu'à un collecteur d'échappement (le, 57), une pression de suralimentation (PI) étant générée dans ledit collecteur d'admission de manière que, pendant ledit transfert, ladite pression de suralimentation soit supérieure à la pression (P2) dans ledit premier cylindre et que la pression dans ledit premier cylindre soit supérieure à la pression (P3) dans ledit collecteur d'échappement, ladite pression de suralimentation étant générée essentiellement à l'aide dudit turbocompresseur principal (5) lorsque le moteur (M) fonctionne à moyen ou haut régime (Ω),- open an exhaust valve (32) at the same time as an intake valve (31) of a first cylinder (1) of the engine during at least part of an intake phase of said first cylinder, so transferring intake air (40) from an intake manifold (56, la) through said first cylinder to an exhaust manifold (le, 57), a boost pressure (PI) being generated in said intake manifold so that, during said transfer, said boost pressure is greater than the pressure (P2) in said first cylinder and the pressure in said first cylinder is greater than the pressure (P3) in said manifold exhaust, said boost pressure being generated essentially using said main turbocharger (5) when the engine (M) is running at medium or high speed (Ω),
- stocker temporairement dans ledit collecteur d'échappement (le, 57) ledit air d'admission transféré (41),- temporarily store in said exhaust manifold (le, 57) said transferred intake air (41),
- générer une surpression (49) dans ledit collecteur d'échappement après la fermeture (B) de la soupape d'admission et avant la fermeture (B') de la soupape d'échappement du premier cylindre au moyen d'une bouffée d'échappement (42) d'un deuxième cylindre (4) relié au même collecteur d'échappement (57) que le premier cylindre, afin de post-remplir ledit premier cylindre avec ledit air d'admission (43) préalablement stocké dans ledit collecteur d'échappement, éventuellement mélangé avec des gaz d'échappement, caractérisé par le fait qu'il consiste, à bas régime et/ou pendant au moins une phase d'accélération depuis sensiblement un régime de ralenti du moteur (M), à générer ladite pression de suralimentation (PI) dans le collecteur d'admission (56, la) essentiellement à l'aide d'un turbocompresseur auxiliaire (15) d'inertie notablement inférieure à l'inertie du turbocompresseur principal (5). - generate an overpressure (49) in said exhaust manifold after closing (B) of the intake valve and before closing (B ') of the exhaust valve of the first cylinder by means of a puff of exhaust (42) of a second cylinder (4) connected to the same exhaust manifold (57) as the first cylinder, in order to post-fill said first cylinder with said intake air (43) previously stored in said manifold d exhaust, possibly mixed with exhaust gases, characterized in that it consists, at low speed and / or during at least one acceleration phase from substantially an engine idling speed (M), in generating said boost pressure (PI) in the intake manifold (56, la) essentially using an auxiliary turbocharger (15) of inertia significantly lower than the inertia of the main turbocharger (5).
2. Moteur thermique à quatre temps (M) suralimenté comprenant :2. Supercharged four-stroke engine (M) comprising:
- un premier cylindre (1) muni d'une soupape d'admission (31) pour alternativement ouvrir ou fermer une communication entre ledit premier cylindre et un collecteur d'admission (56, la) et d'une soupape d'échappement (32) pour alternativement ouvrir ou fermer une communication entre ledit premier cylindre et un collecteur d'échappement (le, 57),- a first cylinder (1) provided with an intake valve (31) for alternately opening or closing a communication between said first cylinder and an intake manifold (56, la) and with an exhaust valve (32 ) alternatively to open or close a communication between said first cylinder and an exhaust manifold (le, 57),
- des moyens de commande de soupapes (45,47,48) pour commander une ouverture de ladite soupape d'échappement après une ouverture de ladite soupape d'admission pendant une partie d'une phase d'admission (37) dudit premier cylindre, afin de transférer de l'air d'admission (40, 41) depuis ledit collecteur d'admission à travers ledit premier cylindre jusqu' audit collecteur d'échappement et de stocker temporairement dans ledit collecteur d'échappement ledit air d'admission transféré,- valve control means (45,47,48) for controlling an opening of said exhaust valve after an opening of said intake valve during part of an intake phase (37) of said first cylinder, in order to transfer intake air (40, 41) from said intake manifold through said first cylinder to said exhaust manifold and to temporarily store said transferred intake air in said exhaust manifold,
- des moyens de suralimentation pour générer une pression de suralimentation (PI) dans ledit collecteur d'admission (56) de manière que, pendant ledit transfert, ladite pression de suralimentation soit supérieure à une pression (P2) dans ledit premier cylindre et que la pression dans ledit premier cylindre soit supérieure à une pression (P3) dans ledit collecteur d'échappement, lesdits moyens de suralimentation comprenant un turbocompresseur principal (5) ou un autre moyen principal de compression pour contribuer essentiellement à générer ladite pression de suralimentation lorsque le moteur (M) fonctionne à moyen ou haut régime (Ω),- boost means for generating a boost pressure (PI) in said intake manifold (56) so that, during said transfer, said boost pressure is greater than a pressure (P2) in said first cylinder and that the pressure in said first cylinder is greater than a pressure (P3) in said exhaust manifold, said boost means comprising a main turbocharger (5) or other main compression means to essentially contribute to generating said boost pressure when the engine (M) operates at medium or high speed (Ω),
- au moins un deuxième cylindre (4) relié au même collecteur d'échappement (57) que le premier cylindre, l'ouverture d'une soupape d'échappement (35) dudit deuxième cylindre étant commandée de façon à générer une surpression (49) dans ledit collecteur d'échappement (57) après la fermeture (B) de ladite soupape d'admission (31) dudit premier cylindre et avant la fermeture de ladite soupape d'échappement (32) dudit premier cylindre, ladite soupape d'échappement du premier cylindre restant ouverte seulement pendant le début d'une phase d'échappement (38') du deuxième cylindre, caractérisé par le fait que lesdits moyens de suralimentation comportent un turbocompresseur auxiliaire (15) d'inertie notablement inférieure à l'inertie du turbocompresseur principal (5), le compresseur (17) dudit turbocompresseur auxiliaire étant relié audit collecteur d'admission (56) pour contribuer essentiellement à générer ladite pression de suralimentation (PI) dans le collecteur d'admission au moins lorsque le moteur (M) fonctionne à bas régime et/ou pendant une phase d'accélération depuis sensiblement un régime de ralenti du moteur (M). - at least one second cylinder (4) connected to the same exhaust manifold (57) as the first cylinder, the opening of an exhaust valve (35) of said second cylinder being controlled so as to generate an overpressure (49 ) in said exhaust manifold (57) after closing (B) of said intake valve (31) of said first cylinder and before closing of said exhaust valve (32) of said first cylinder, said exhaust valve of the first cylinder remaining open only during the start of an exhaust phase (38 ') of the second cylinder, characterized in that said supercharging means comprise an auxiliary turbocharger (15) of inertia significantly less than the inertia of the main turbocharger (5), the compressor (17) of said auxiliary turbocharger being connected to said intake manifold (56) to essentially contribute to generating said boost pressure (PI) in the intake manifold at least when the engine (M) is running at low speed and / or during an acceleration phase from substantially an engine idle speed (M) .
3. Moteur thermique (M) selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit collecteur d'échappement (57) est relié à un embranchement (10) entre une entrée (11) d'une turbine (6) du turbocompresseur principal et une entrée (21) d'une turbine (16) du turbocompresseur auxiliaire, un moyen de répartition (22, 33) ou de calibrage (34) de débit étant prévu audit embranchement pour orienter une partie des gaz d'échappement vers l'entrée de la turbine (16) du turbocompresseur auxiliaire (15) au moins lorsque le moteur (M) fonctionne à bas régime et/ou pendant ladite phase d'accélération.3. A heat engine (M) according to claim 2, characterized in that said exhaust manifold (57) is connected to a branch (10) between an inlet (11) of a turbine (6) of the main turbocharger and an inlet (21) of a turbine (16) of the auxiliary turbocharger, a means of distribution (22, 33) or of calibration (34) of flow being provided at said branch to direct a part of the exhaust gases towards the inlet of the turbine (16) of the auxiliary turbocharger (15) at least when the engine (M) is running at low speed and / or during said acceleration phase.
4. Moteur thermique (M) selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit collecteur d'échappement (57) présente sensiblement une même longueur et sensiblement un même volume entre ledit embranchement (10) d'une part, et respectivement les premier (1) et deuxième (4) cylindres d'autre part.4. A heat engine (M) according to claim 3, characterized in that said exhaust manifold (57) has substantially the same length and substantially the same volume between said branch (10) on the one hand, and respectively the first (1) and second (4) cylinders on the other hand.
5. Moteur thermique (M) selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit collecteur d'échappement (57) présente deux ouvertures débouchant respectivement dans lesdits premier et deuxième cylindres, la section (19) desdites ouvertures étant sensiblement supérieure à une section efficace de la turbine principale5. Heat engine (M) according to claim 4, characterized in that said exhaust manifold (57) has two openings opening respectively into said first and second cylinders, the section (19) of said openings being substantially greater than a section main turbine efficiency
(6). (6).
6. Moteur thermique (M) selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé par le fait qu'une première conduite de dérivation (68) munie d'une première soupape de dérivation (67) est prévue entre l'entrée (11) de la turbine (6) du turbocompresseur principal et un tuyau d'échappement (12, 13), pour limiter un débit de gaz d'échappement dans ladite turbine principale. 6. Heat engine (M) according to one of claims 3 to 5, characterized in that a first bypass line (68) provided with a first bypass valve (67) is provided between the inlet (11 ) of the turbine (6) of the main turbocharger and an exhaust pipe (12, 13), to limit a flow of exhaust gas into said main turbine.
7. Moteur thermique (M) selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'une seconde conduite de dérivation (65) munie d'une seconde soupape de dérivation (64) est prévue entre l'entrée (21) de la turbine auxiliaire (16) et le tuyau d'échappement, pour limiter la charge de ladite turbine auxiliaire à une valeur maximale prédéterminée.7. Heat engine (M) according to claim 6, characterized in that a second bypass line (65) provided with a second bypass valve (64) is provided between the inlet (21) of the auxiliary turbine (16) and the exhaust pipe, to limit the load of said auxiliary turbine to a predetermined maximum value.
8. Moteur thermique (M) selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdites première et seconde soupapes de dérivation sont servocommandées en fonction de la pression de suralimentation (PI) de manière à maintenir les pressions en sortie du compresseur principal (7) et du compresseur auxiliaire (17) à des valeurs sensiblement égales.8. Heat engine (M) according to claim 7, characterized in that said first and second bypass valves are servo-controlled as a function of the boost pressure (PI) so as to maintain the pressures at the outlet of the main compressor (7) and the auxiliary compressor (17) at substantially equal values.
9. Moteur thermique (M) selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte une tubulure d'admission d'air (18) reliant le compresseur (17) du turbocompresseur auxiliaire (15) audit collecteur d'admission (56), ladite tubulure d'admission étant éventuellement munie d'un réfrigérant (9).9. Heat engine (M) according to one of claims 6 to 8, characterized in that it comprises an air intake manifold (18) connecting the compressor (17) of the auxiliary turbocharger (15) to said manifold intake (56), said intake manifold being optionally provided with a coolant (9).
10. Moteur thermique (M) selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'un moyen d'orientation (23, 24) d'un débit d'air aspiré par le compresseur (17) du turbocompresseur auxiliaire (15) en direction de l'échappement (13) est prévu pour diminuer la pollution à l'échappement (14).10. Heat engine (M) according to claim 9, characterized in that a means of orientation (23, 24) of an air flow sucked by the compressor (17) of the auxiliary turbocharger (15) in the direction of the exhaust (13) is provided to reduce pollution of the exhaust (14).
11. Moteur thermique (M) selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ledit moyen d'orientation est un conduit (24) muni d'une première soupape servocommandée (23), ladite tubulure d'admission (18) étant munie d'une seconde soupape servocommandée (71), lesdites première et seconde soupapes étant servocommandées en fonction de la pression de suralimentation (PI) de manière à fermer la première soupape (23) et à ouvrir la seconde soupape (71) lorsque ladite pression en sortie du compresseur principal (7) est inférieure à un seuil prédéterminé, et à ouvrir la première soupape et à fermer la seconde soupape lorsque ladite pression en sortie du compresseur principal (7) dépasse ledit seuil prédéterminé. 11. Heat engine (M) according to claim 10, characterized in that said orientation means is a conduit (24) provided with a first servo-controlled valve (23), said intake manifold (18) being provided with a second servo-controlled valve (71), said first and second valves being servo-controlled as a function of the boost pressure (PI) so as to close the first valve (23) and to open the second valve (71) when said pressure at the outlet of the main compressor (7) is less than a predetermined threshold, and to open the first valve and to close the second valve when said pressure at the outlet of the main compressor (7) exceeds said predetermined threshold.
12. Moteur thermique (M) selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé par le fait que le turbocompresseur principal (5) et le turbocompresseur auxiliaire (15) aspirent l'air d'alimentation par une entrée commune (66), de préférence à travers un filtre (55).12. Thermal engine (M) according to any one of claims 2 to 11, characterized in that the turbocharger main (5) and the auxiliary turbocharger (15) draw the supply air through a common inlet (66), preferably through a filter (55).
13. Moteur thermique (M) selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisé par le fait qu'il comporte un nombre pair de cylindres, de préférence, 4, 6 ou 8 cylindres, lesdits cylindres (1-4) étant appariés par des collecteurs d'échappement communs (57,59), les cycles de fonctionnement respectifs des cylindres de chaque paire étant déphasés de manière qu'un (4) desdits cylindres produit une bouffée de gaz d'échappement (42) dans le collecteur d'échappement (57) commun à la paire de cylindres (1,4) de manière à générer ladite surpression (49) pendant que l'autre (1) desdits cylindres est sensiblement à la fin d'une phase d'aspiration.13. A heat engine (M) according to any one of claims 2 to 12, characterized in that it comprises an even number of cylinders, preferably 4, 6 or 8 cylinders, said cylinders (1-4) being matched by common exhaust manifolds (57,59), the respective operating cycles of the cylinders of each pair being phase shifted so that one (4) of said cylinders produces a burst of exhaust gas (42) in the manifold exhaust (57) common to the pair of cylinders (1,4) so as to generate said overpressure (49) while the other (1) of said cylinders is substantially at the end of a suction phase.
14. Moteur thermique (M) selon l'une quelconque des revendications 2 à 13, caractérisé par le fait que ledit collecteur d'admission (56) est commun à tous les cylindres (1-4).14. A heat engine (M) according to any one of claims 2 to 13, characterized in that said intake manifold (56) is common to all the cylinders (1-4).
15. Moteur thermique (M) selon l'une quelconque des revendications 2 à 14, caractérisé par le fait que ledit bas régime de fonctionnement est inférieur à 1300 tr/min, de préférence inférieur à 1200 tr/min, et par exemple de l'ordre de 1000 tr/min ou moins.15. Heat engine (M) according to any one of claims 2 to 14, characterized in that said low operating speed is less than 1300 rpm, preferably less than 1200 rpm, and for example l '' order of 1000 rpm or less.
16. Moteur thermique (M) selon l'une quelconque des revendications 2 à 15, caractérisé par le fait qu'il s'agit d'un moteur diesel à injection directe ou indirecte ou essence à injection directe. 16. A heat engine (M) according to any one of claims 2 to 15, characterized in that it is a diesel engine with direct or indirect injection or gasoline with direct injection.
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