Brevet FR2491131A1 — publié le 19820402

La suralimentation par turbocompresseur de moteurs à combustion interne et convenant à des automobiles de petites et moyennes dimensions, à l'exception de quelques applications spéciales, n'a pas fait l'objet d'un développement appréciable. Ceci est surprenant du fait des avantages qu'il est possible d'obtenir en raison de l'augmentation de la puissance de sortie par rapport au volume et au poids réduits du moteur, ainsi que d'un meilleur rendement. Lorsqu'il s'agit de plus gros moteurs prévus pour des camions et également pour des navires, la suralimentation a par contre été utilisée de façon prédominante et depuis longtemps. Une raison de cette situation peut provenir du fait que le coût de l'installation de suralimentation augmente trop fortement le coût du moteur et que la technique principalement utilisée n'a entraîné qu'une amélioration comparativement réduite d'économie de carburant. Ceci est dû principalement au fait que les conditions de fonctionnement d'un moteur d'automobile different de façon sensible de celles d'un moteur de camion par exemple où le facteur de charge est plus important.Les coûts d'entretien de moteurs suralimentés par turbocompresseur sont plus importants, et l'utilisation d'un carter externe comparativement important pour le surcompresseur desservant tous les cylindres du moteur demande trop d'espace pour que l'on puisse l'installer dans les compartiments disponibles de moteurs compacts d'automobiles modernes, et qui peuvent devenir encore plus réduits dans l'avenir. I1 est souhaitable que l'on puisse produire de façon peu coûteuse des turbocompresseurs pour petits moteurs, fabriqués en grandes séries, qu'ils puissent être adaptés à la gamme des sorties de puissance actuelles de ces moteurs, qu'ils soient compacts et qu'ils puissent être facilement échangés en cas de mauvais fonctionnement. Dans une installation comprenant un certain nombre de petites unités de moteurs de base combinées pour former une installation de puissance au moyen d'une transmission commune, une disposition selon l'invention devient alors avantageuse. On peut couvrir une gamme étendue de puissances de sortie en munissant les unités de base qui font partie de l'installation selon des combinaisons variées de couvercles de cylindres comprenant des turbocompresseurs intégrés. Un moteur à combustion interne selon l'invention et comprenant au moins un cylindre muni d'ouvertures d'admission et d'échappement prevues dans une culasse fermant le cylindre et qui sont commandées par des soupapes est caractérisé en ce qu'il comprend une chambre à l'intérieur du couvercle qui communique avec les ouvertures d'admission et d'échappement par l'intermédiaire de passages, et également un dispositif comportant une turbine à gaz d'échappement et un compresseur d'air de balayage entraîné par cette turbine, le dispositif étant apte à etre fixé dans ladite chambre. La forme de la chambre peut etre sensiblement cylindrique, l'une au moins des parois terminales définissant la chambre comprenant un organe amovible, et le dispositif comprenant un carter entourant un rotor comportant une roue de turbine et une roue de compresseur fonctionnant sur un arbre commun et apte à etre inséré dans la chambre, et, en utilisation, apte à etre retenu avec son axe de rotation sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal de cette chambre. La roue du compresseur peut etre aménagée de manière recevoir l'air entrant selon un courant axial et pour refouler 11 air radialement, alors que la roue de la turbine peut être disposée de manière à recevoir les gaz en direction radiale et à laisser échapper les gaz en direction axiale. On forme alors des volutes d'admission et d'échappement dans la paroi d'enveloppe de la chambre, chacune communiquant avec cette aernière par une gorge périphérique, alors que le carter est conçu en tant que corps central comportant deux rebords périphériques dirigés vers l'intérieur et adaptés aux gorges, et muni de passages à fluide, au moins les passages au niveau de l'admission des gaz étant conformés sous forme d'aubes de guidage. D'autres caractéristiques apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit. L'invention est décrite ci-dessous avec référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue en coupe de la partie supérieure d'un moteur à combustion interne, la culasse renferme un turbocompresseur disposé transversalement au moteur. La figure 2 est une vue en plan d'une partie de la culasse du même moteur, et représente une paire de cylindres desservis par le turbocompresseur. La figure 3 est une vue en plan de la culasse d'un mode de réalisation modifié où le turbocompresseur est fixé dans une partie latérale de la culasse et disposé de manière que son axe de rotation soit vertical. La figure 4 est une vue en coupe de la partie supérieure d'un autre moteur modifié où le turbocompresseur est fixé dans une partie latérale de la culasse, mais avec son axe de rotation vertical. La figure 5 est une vue en plan de la culasse d'un moteur à quatre cylindres comprenant deux turbocompresseurs incorporés. La figure 6 est une vue en coupe verticale du moteur selon la figure 5. La figure 1 est une vue en coupe de la partie supérieure d'un moteur à combustion interne représentant une partie du bloc moteur 10, un piston 11 et une culasse 12. La coupe est étagée et la ligne H1 - H1 désigne une coupe horizontale. Des coupes verticales au-dessus et au-dessous de la ligne H1 -H1 sont prises sur les lignes V1 - V1 et V2 2 V2 de la figure 2 qui, de son côté, représente une coupe horizontale selon la ligne H2 - H2 de la figure 1. Aux figures 2 et 3 où deux cylindres adjacents sont indiqués en tiretés et indiqués en I, II, III et IV respectivement, les composants du moteur ayant la même fonction mais appartenant à des cylindres différents sont désignés par les mêmes références de base, mais différenciées par des indices correspondant aux cylindres associés. La culasse 12 comprend, de manière classique, une soupape d'admission 13 et une soupape d'échappement 14 pour chaque cylindre. Les soupapes commandent les passages d'admission et d'échappement 15, 16 qui communiquent avec un espace de combustion 17. Les passages font communiquer l'espace de combustion avec une chambre 18 constituée à l'intérieur de la culasse et apte à recevoir un turbocompresseur 19. Celui-ci est constitué sous forme d'un élément à insérer, conforme à la forme de l'espace constitué dans la culasse, et on le décrira plus en détail ci-dessous. Lorsqu'il s'agit du mode de réalisation représenté aux figures 1 et 2, le turbocompresseur est adapté pour desservir deux cylindres adjacents I et II, et la chambre 18 est située transversalement dans la culasse 12, et environ à michemin entre les deux cylindres situés en dessous. Les soupapes 13 et 14 sont disposées dans des plans approximativement parallèles à un plan vertical passant par l'axe de la chambre. Ainsi, les canalisations 15, 16 sont courtes et sont disposées dans un emplacement favorable par rapport au parcours du fluide. On obtient également une chambre satisfaisante (environ égale au diamètre du cylindre) pour le turbocompresseur entre les tiges de soupapes des deux cylindres, même lorsque l'espace entre les deux cylindres est étroit. L'engrenage de manoeuvre des soupapes est de type classique et comprend deux arbres à cames supérieurs (non repr- sentés), ou éventuellement un arbre à cames central actionnant deux jeux de culbuteurs. Le turbocompresseur 19 comprend de préférence une entrée axiale et une sortie radiale au niveau de la roue du compresseur, et une entrée radiale et un échappement axial au niveau de la roue de la turbine. Un mode de réalisation préféré du dispositif de suralimentation est représenté aux figures 1 et 2. La chambre 18 destinée à recevoir le turbocompresseur est dans ce cas ouverte à ses deux extrémités. Les passages d'admission 15 et les passages d'échappement 16 des deux cylindres I et II débouchent dans une volute de sortie 20 et dans une volute d'entrée 21 respectivement, qui sont prévues dans la paroi d'enveloppe de la chambre. Chaque volute est ouverte en direction de la chambre au moyen d'une gorge périphérique, 22, 23 respectivement. Les turbocompresseurs 19 comprennent chacun une âme de rotor qui comporte une roue de compresseur 24 et une roue de turbine 25 montées sur un arbre commun 26. L'âme du rotor est montée dans un carter 27 constitué sous forme d'un corps central entourant l'amie du rotor et comprenant deux rebords périphériques dirigés vers l'extérieur 28, 29, qui correspondent en position montée aux gorges 22, 23 et qui comprennent les passages d'admission et d'échappement. Le passage d'admission au niveau de la roue de turbine est muni, comme indiqué schématiquement, d'aubes de guidage 30. Le passage d'échappement au niveau de la roue du compresseur est également muni d'aubes de guidage indiquées en 31. Dans certains modes de réalisation, il suffit d'utiliser des volutes d'échappement et d'admission respectivement au niveau de la turbine et du compresseur.L'âme du rotor est montée sur l'arbre 26 qui est de préférence supporté par des paliers à air, comme indiqué schématiquement en 32. Le carter 27, qui a été décrit ci-dessus, est constitué par une coquille conformée à l'extérieur sous forme d'un corps de révolution symétrique, comme représenté aux figures 1 et 2. Les rebords 28 et 29 qui s'étendent radialement comprennent chacun deux disques annulaires qui entrent en contact avec la paroi d'enveloppe de la cavité de chaque côté de la gorge associée 22, 23. Les aubes de guidage 30, 31 s'étendent entre ces disques et relient les parties externes du carter a sa partie centrale qui entoure l'arbre 26. Le rotor, de même que le carter, est de préférence fabriqué en un matériau céramique. Le carter est avantageusement divisé en deux moitiés le long de son plan médian axial, l'amie du rotor étant réalisée sous forme d'une unité en une seule pièce. Les moitiés du carter sont réunies en ayant recours à une technique connue, par exemple au moyen de pinces, ou par collage. Le turbocompresseur 19 peut, dans le mode de réalisation représenté, être desservi quand il est monté dans la cavité et lorsque les rebords 33, 34 associés à une conduite d'échappement et à un carburateur, ou à un filtre à air d'un moteur à injection directe, ont été fixés aux extrémités ouvertes de la cavité. Si la cavité est nettement plus longue que le turbocompresseur, un diffuseur d'échappement 35 et/ou une buse d'admission 36 est fixé entre le dispositif de suralimentation et les rebords de liaison. Cependant, la cavité peut avoir sensiblement la même longueur que le turbocompresseur, auquel cas les conduites adjacentes aux rebords de liaison 33, 34 sont conformées de préférence selon la forme du diffuseur et/ou de la buse. Les figures 3 et 4 représentent deux modes de réalisation modifiés de culasses selon l'invention, ainsi que d'autres détails du turbocompresseur. Les deux couvercles sont adaptés pour recevoir des turbocompresseurs à insérer du type décrit ci-dessus, et qui sont représentés à la figure 3 en coupe passant par le compresseur, et à la figure 4 en coupe passant par la turbine. Les mêmes références que celles des figures précédemment décrites sont utilisées dans ce cas. La figure 3 représente une partie de culasse 40. Deux cylindres adjacents l'un à l'autre sont respectivement désignés en III et IV. Une cavité 41 est constituée dans l'une des parties latérales longitudinales du couvercle, de manière que le turbocompresseur 19, en position montée, ait son arbre 26 disposé parallèlement au plan médian longitudinal passant par les cylindres.Le turbocompresseur dessert dans ce cas deux cylindres, et la cavité est disposée de façon sensiblement symétrique par rapport à ceux-ci. Dans ce mode de réalisation, les soupapes d'admission et d'échappement respectives 42 et 43 des deux cylindres sont disposées dans un plan vertical longitudinal commun. Les passages d'admission et d'échappement 44 et 45 et les volutes associées 46, 47 sont conformés de la même manière que décrite cidessus. La figure 4 représente une culasse 50 qui comprend également dans ce cas une cavité 51 située à l'une de ses parties terminales longitudinales. Cependant, le turbocompresseur est monté de manière que son arbre 26 soit disposé dans la direction longitudinale du moteur. Sur cette figure, la culasse est représentée plus en détail, avec une soupape d'échappement 52 du cylindre V, de même qu'avec le passage d'échappement associé 53 et la volute d'admission 54 vers la turbine. Un arbre à cames est indiqué en 55 et une bougie en 56. Les figures 5 et 6 représentent respectivement des coupes horizontale et verticale d'un moteur à quatre cylindres, où deux turbocompresseurs 60 sont montés dans des passages horizontaux transversaux dans un couvercle 61 qui est commun aux quatre cylindres. Les roues des compresseurs des turbocompresseurs sont reliées à un collecteur d'admission 62 muni d'injecteurs 63 de carburant. L'emplacement des injecteurs qui sont situés à l'amont des compresseurs assure un mélange favorable du carburant et de l'air. Ceci est particulièrement avantageux quand on utilise d'autres carburants que ceux utilisés habituellement dans les moteurs à carburateur et tels que de l'alcool méthyle ou du charbon pulvérisé en suspension ou sous forme d'un gel. Les gaz d'échappement provenant des turbines des dispositifs de suralimentation sont recueillis dans un collecteur 64 dans lequel est montée la chambre de combustion 65 comprenant des moyens d'injection de carburant 66 et un dispositif d'allumage 67. Une seconde turbine à gaz 68 est montée à la sortie de la chambre de combustion. Cette dernière peut être reliée au moyen d'une transmission et d'une roue libre (non représentée) au vilebrequin du moteur, ou être adaptée pour entraîner un générateur électrique ou un accumulateur à volant. Quand on a besoin d'une puissance de sortie peu importante, il est possible de stocker l'énergie dans des batteries, ou dans le volant, pour l'utiliser par la suite quand on a besoin d'une sortie de puissance plus élevée. Les culasses peuvent entre, dans les modes de réalisation représentés, refroidies à l'eau ou à l'air. Dans ce dernier cas, les culasses peuvent être fabriquées en un matériau céramique. La disposition comprenant des turbocompresseurs incorporés donne une grande-liberté en ce qui concerne la possibilité de découper d'une manière connue en soi des parties du mecanisme de manoeuvre des soupapes et/ou des moyens d'injection de carburant pour améliorer l'économie en charge partielle. On considère que ce sont les turbocompresseurs illustrés qui conviennent le mieux à une application pratique. Cependant, il est possible d'utiliser des unités du type à déplacement, par exemple comprenant des ailes radiales. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre (I - V) muni d'ouvertures d'admission et d'échappement dans une culasse et coerndéé5 pardes soupapes (13, 14; 42, 43; 52), caractérisé en ce qu'il comprend une chambre (18, 41, 51) à l'intérieur de la culasse (12, 40, 50) et communiquant avec les ouvertures d'admission et d'échappement au moyen de passages (15, 16; 44, 45, 53), et un dispositif (19) comprenant une turbine à gaz d'échappement et un compresseur d'air de balayage entraîné par cette turbine, ce dispositif étant apte à être fixé dans la chambre. 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre a une forme sensiblement cylindrique et en ce qu'au moins une paroi terminale définissant la chambre comprend un organe amovible (33, 34), et en ce que le dispositif (19) comprend un carter (27) entourant un rotor comprenant une roue de turbine (25) et une roue de compresseur (24) fonctionnant sur un arbre commun (26) et apte à être inséré dans la chambre, et, en utilisation, retenu de manière que son axe de rotation soit sensiblement parallèle à l'axe longitudinal de cette chambre. 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre (18) est disposée de manière que le dispositif (19) ait son axe de rotation (26) disposé perpendiculairement à l'axe longitudinal du ou des cylindres associés (I, II), et transversalement au moteur. 4. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre (41) est disposée de manière que le dispositif (19) ait son axe de rotation (26) disposé parallèlement, et éventuellement décalé latéralement par rapport à l'axe longitudinal du ou des cylindres associés (III, IV). 5. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la chambre (18; 41) est disposée de manière que le dispositif ait son axe de rotation (26) disposé symétriquement par rapport aux deux cylindres associés (I, II; III, IV). 6. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre (51) est disposée de manière que le dispositif (19) ait son axe de rotation (26) disposé perpendiculairement à l'axe de rotation d'un cylindre associé (V) et parallèlement a la direction longitudinale du moteur. 7. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 2 à 6, dont la roue du compresseur (24) est disposée de manière à recevoir l'air entrant selon un courant axial et pour refouler cet air radialement, alors que la roue de turbine (25) est disposée de manière à recevoir le gaz en direction radiale et à envoyer le gaz en direction axiale, caractérisé en ce que des volutes d'entrée et de sortie (20, 21) sont formées dans la paroi d'enveloppe de la chambre (18), chacune communiquant avec cette chambre au moyen d'une gorge périphérique (22, 23), le carter (27) étant conçu sous forme d'un corps central comprenant deux rebords périphéri- ques (28,29) dirigées vers l'extérieur se raccordant aux gorges et étant pourvus de passages à fluide, le passage de l'admission des gaz au moins etant constitué sous forme d'aubes de guidage (30). 8. Moteur à combustion interne selon la revendication 7, caractérisé en ce que les passages de sortie d'air sont constitués sous forme d'aubes de guidage (31). 9. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le rotor (24 - 26) est constitué en une seule pièce, et en ce que le carter (27) est divisé longitudinalement en deux moitiés, le rotor de même que le carter étant réalisés en un matériau céramique. 10. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la culasse est réalisée en un matériau céramique. 11. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'une culasse (61) commune à un certain nombre de cylindres est munie d'au moins deux chambres transversales destinées à des turbocompresseurs (60), dont les sorties sont reliées à un passage commun (64) comprenant une unité de post-combustion (65). 12. Moteur à combustion interne selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend une autre turbine à gaz d'échappement (68) qui est adaptée pour recevoir les gaz de l'unité de post-combustion (65) et est adaptée pour assister l'entraînement de l'arbre de sortie du moteur, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un dispositif accumulateur.