Brevet FR2461811A1 — publié le 19810206

Une des solutions adoptées par les constructeurs de moteurs automobiles en vue d'obtenir des puissances élevées avec des cylindrées-réduites est constituée par la suralimentation, réalisée au moyen d'un turbocompresseur dans lequel une turbine généralement centripète, actionnée par les gaz d'échappement du moteurentraTne un compresseur que traverse l'air d'alimentation de ce moteur. Grâce à la suralimentation, il est possible de réaliser des moteurs qui, à puissance fournie égale, ont un poids réduit, une faible consommation et des émissions de gaz d'échappement tout aussi faibles. Un des éléments dont on doit tenir compte dans le fonctionnement d'une turbine pour ces applications réside dans la considérable variabilité du débit de gaz d'échappe- ment qui la traverse. En général, la turbine n'est pas constamment en mesure de travailler dans les conditions de rendement optimale, à moins d'avoir recours à une turbine à géométrie variable, ce qui n'est pas le cas habituel, car on adopte le plus souvent une te bieïfix" de sorte qu'il n'existe qu'une seule zone du champ d'uti- lisation dans laquelle le fonctionnement s'effectue confor- mément aux données de projet et dans laquelle le flux des gaz en sortie de la turbine présente une direction axiale. En effet, dans toutes les autres zones, le flux des gaz en sortie de la turbine est caractérisé par des composantes de vitesse tangentielles d'intensité plus ou moins grande qui provoquent des pertes de charge et des contre-pressions à l'échappement du moteur, avec diminution corrélative de la puissance fournie par ce dernier, ces composantes donnant lieu à un mouvement de type tourbillonnaire. D'autre part, enortu de la loi qui régit les mouvements de type tourbillonnaire, il apparatt que les composantes tangentielles sont d'autant plus élevées que le rayon du tourbillon est réduit, de sorte que, pour limiter les pertes de charge des gaz, on eroposé de disposer à la sortie de la turbine un conduit divergent qui, grÈce à l'augmentation progressive de sa section, permet de réduire l'intensité des composantes tangentielles de vitesse des gaz d'échappement. Toutefois, bien que cette solution soit avanta- geuse pour la récupération de la puissance fournie par le moteur, elle se révèle non satisfaisante du point c vue de sa réalisation, car elle oblige à adopter, en aval dudit conduit divergent, un tube d'échappement, pour l'évacuation des gaz d'échappement dans l'atmosphère, qui doit avoir, au moins sur une certaine portion, un diamètre égal au diamètre maximal du conduit divergent. Etant donné que les composants tangentielles de vitesse Ès gaz sont d'autant plus faibles que le diamètre maximal du conduit divergent est grand, cette solution comporte l'utilisation d'un tuyau d'échappement doté d'un diamètre plus grand que celui qui serait nécessaire pour une évacuation correcte des gaz dans l'atmosphère. - Cependant, une augmentation du diamètre du tuyau d'échappement, qui se traduirait par une augmentation du -vîume des pots d'échappement dont un tel tuyau est géné- ralement doté, se révèle désavantageuse pour des questions de poids, et même souvent impossible pour des raisons d'encombrement. Le but de la présente invention est celui de parvenir à réduire au minimum les contrepressions à l'échappement du moteur tout en adoptant en aval du conduit divergent disposé à la sortie de la turbine un tuyau d'échappement de diamètre réduit et de toute façon inférieur au diamètre maximal du conduit divergent. Ceci est obtenu en disposant en aval du conduit divergent une portion de conduit à ailettes radiales à laquelle est associé un conduit convergent qui sert de raccord avec le tuyau d'échappement de diamètre réduit. Cette solution permet de contr8ler le flux des gaz en sortie du conduit divergent, en leur imprimant une direction axiale dans n'importe quelle condition de débit sans provoquer de pertes de charge lors du passage dans le tube de diamètre réduit. En sortant de la turbine pour passer dans le conduit divergent, les gaz d'échappement perdent de leur 246181 1 vitesse tangentielle au fur et à mesure que le diamètre de ce m8me conduit augmente. A ce stade, la portion de conduit à ailette radiales empoche les gaz de suivre un parcours en spirale en les obligeant à s'écouler en direction axiale le long des passages longitudinaux maté- rialisés par la portion de ce conduit à ailettes. La portion de conduit à ailettes parvient ainsi à 'casser" le tourbillonnement en transformant le flux à direction tangentielle en un flux à direction axiale, permettant ainsi aux gaz d'affluer suivant cette même direction vers le raccord convergent et dans le tuyau d'échappement de diamètre réduit. Etant donné la faible vitesse tangentielle des gaz à la sortie du conduit divergent, le changement de direction du flux s'effectue avec des pertes de charge réduites. De même, le passage dans le tuyau d'échappement de diamètre réduit s'effectue lui aussi sans grosses pertes de charge, car dans le raccord convergent se produit une diminution progressive de section entre la grande section de sortiequ conduit divergent et la section d'entrée réduite du tuyau d'échappement de diamètre réduit. Ladite portion de conduit à ailettes peut être constituée par une portion de conduit cylindrique ayant un diamètre égal au diamètre maximal du conduit divergent et dotéed'ailette radiales, cette portion de conduit cylin- drique étant disposée entre la sortie du conduit divergent et l'entrée du conduit convergent. La portion de conduit à ailettes peut aussi 8tre constituée par uxi portion du conduit convergent qui est dotée d'ailettes radiales, le conduit convergent étant disposé à la sortie du conduit divergent. En conclusion, il est ainsi possible d'obtenir de faibles contre-pressions au niveau de l'échappement du moteur, ceci étant permis en grande partie par la présence de la portion de conduitVa ailettes, car cette portion empOche que les gaz, après avoir perdu de leur vitesse tangentielle dans le conduit divergent, puissent reprendre 246t1 1 - dans le conduit convergent un mouvement tourbillonnaire qui s'accompagnerit d'une vitesse tangentielle élevée à cause de la réduction progressive du diamètre de ce conduit convergent. La description qui va suitre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut ttre mise en pratique. La figure 1 représente une vue latérale, partiel- lement en coupe, d'une turbine actionnée par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne et du dispositif de contrSle du flux de ces gaz disposé à sa sortie. La figure 2 représente une coupe du dispositif suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 représente une vue latérale, partiel- lement en coupe d'une variante du dispositif de la figure 1. La turbine, du type centripète, est désignée dans son ensemble par la référence 12. La référence 19 désigne le conduit d'entrée des gaz d'échappement du moteur dans la turbine 12 et la référence 21 le conduit de sortie des gaz de la turbine. La référenee 13 désigne un conduit de forme divergente s'étendant dans la direction d'écoulement des gaz et se terminant par une portioieylindrique 22 dotée d'ailettes radiales 15. Le conduit divergent est relié au conduit 21 de sortie de la turbine au moyen d'une bride 11 et d'une contre-bride 10. Ce même conduit divergent est d'autre part doté d'une bride 14 permettant son raccordement avec une contre-bride 16 d'un conduit convergent 17. le conduit convergent 17 est pourvu d'une bride 18 permettant son raccordement avec une contre-bride 23 d'un tuyau d'échappement 20 de diamètre réduit qui assure l'évacuation des gaz d'échappement dans l'atmosphère. La figure 2 montre la disposition radiale des ailettes 15 de la portion cylindrique 22. Dans la variante de la figure3, les ailettes radiales sont disposées à l'intérieur du conduit convergent désigné par la référence 17'. Comme déjà dit précédemment, dans les conditions optimales de débit de la turbine 12, les gaz d'échappement sortent du conduit 21 en un flux à écoulement axial. Dans toutes autres conditions de débit, le flux des gaz sortant de la turbine est le siège d'un mouvement de type tourbillonnaire comportant des composants tangentielles de vitesse. En entrant dans le conduit divergent 13, les gaz affluent avec un mouvement de tourbillonnement, mais leur vitesse tangentielle diminue en raison de l'augmentation de diamètre de ce conduit divergent jusqu'à ce qu'ils par- viennent au niveau de la portion cylindrique 22 dotée des ailettes 15 ou au niveau du conduit convergent 17' de la figure 3, doté des ailettes 15'. A ce stade, les ailettes ou 15' empochent les gaz de suivre un parcours en spirale en les obligeant à s'écouler en direction axiale le long des canaux longitudinaux qu'elles forment. Les filets de fluide qui sortent du conduit divergent avec une faible vitesse tangentielle peuvent ainsi prendre une direction axiale sans pertes de charge élevées, gi&ce justement à l'abaissement de cette vitesse. Après avoir pris une direction axiale, les gaz sont acheminés vers le tuyau d'échappement 20 de diamètre réduit à travers le conduit convergent 17 qui, grâce à la diminution progressive de sa section, évite les pertes de charge lors du passage des gaz de la grande section de sorbe du conduit divergent à la section réduite du tuyau d'échappement 20. Ainsi, les gaz peuvent passer de la sortie de la turbine jusqu'au tuyau d'échappement avec de faibles pertes de charge et sans engendrer de contre-pressions indésira- bles au niveau de l'échappement du moteur. 246i81 1 REVENDICATIONS 1.- Dispositif de contrôle de la direction du flux des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne suralimenté, doté d'une turbine centripète actionnée par ces gaz d'échappement pour l'entratnement d'un compresseur de suralimentation dudit moteur, ce dispositif comprenant un conduit divergent disposé à la sortie de ladite turbine et un tuyau d'échappement pour l'évacuation des gaz dans l'atmosphère et étant caractérisé par le fait-qu'entre le conduit divergent et le tuyau d'échappement -est dis- posée une portion de conduit à ailettes radiales à laquelle est associé un conduit convergent qui sert de raccord avec ledit tuyau d'échappement, ce dernier ayant un diamètre inférieur au diamètre maximal du conduit divergent. 2.- Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que ladite portion de conduit à ailettes est constituée par une portion de conduit cylindrique ayant un diamètre égal au diamètre maximal du conduit divergent et dotéed'ailettes radiales, cette portion de conduit cylindrique étant disposée entre la sortie du conduit divergent et l'entrée du conduit convergent. D5.- Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par letait que ladite portiont conduit à ailettes est constituée par une portion du conduit convergent qui est dotée d'ailettes radiales, le conduit convergent étant disposé à la sortie du conduit divergent.