Brevet FR2491130A1 — publié le 19820402

La présente invention concerne la suralimentation de moteurs a combustion interne, et en particulier de moteurs de véhicules automobiles, où la demande accrue de réduction de poids et de volume signifie que l'espace disponible est plus réduit mais où les exigences concernant l'entretien et le remplacement facile des composants sont élevées. L'utilisation de matériaux céramiques dans les tubes d'échappement, les carters et les rotors de turbines permet de produire des unités de suralimentation légères et compactes, et un but de la présente invention est de proposer des carters simplifiés et compacts, aptes à supporter les unités de suralimentation et à les relier au moteur en faisant un bon usage de l'espace disponible, et qui soient par ailleurs peu coûteux et efficaces tout en offrant simultanément de bonnes possibilités d'entretien et de dépannage. Un dispositif de suralimentation selon l'invention est caractérisé en ce que les conduites qui communiquent avec les ouvertures d'échappement et d'admission du moteur sont rassemblées dans un carter en une seule pièce, dont l'axe longitudinal est sensiblement parallèle a un plan médian longitudinal passant par les cylindres, et dans lequel est monté au moins un ensemble turbine/compresseur comprenant une sortie et une entrée dirigees axialement. De préférence, le carter comprend une cavité cylindrique, complètement ouverte au moins a l'une de ses extrémités, alors que l'ensemble turbine/compresseur est monté dans un boîtier cylindrique apte à glisser dans la cavité en direction axiale. En variante, les conauites de sortie et d'entrée sont rassemblées individuellement dans une moitié d'un carter qui est divisé par un plan perpendiculaire à son axe longitudinal, et comprend une cavité prévue pour recevoir directement les rotors de l'ensemble turbine/compresseur. Quand il s'agit d'un moteur à plusieurs cylindres, les collecteurs d'echappement et d'admission peuvent comprendre au moins deux ensembles turbine/compresseur fonctionnant en parallèle. Le carter du turbocompresseur qui fait librement saillie du bloc moteur convient bien a la connexion d'une seconde turbine d'échappement à son extrémité d'échappement. L'arbre de cette seconde turbine peut transformer l'énergie résiduel L'invention est décrite ci-dessous avec référence aux dessins ci-annexés. La figure 1 représente schématiquement un moteur à combustion interne a quatre cylindres pourvu d'un dispositif de suralimentation selon l'invention. La figure 2 est une coupe verticale de l'ensemble de suralimentation selon l'invention. La figure 3 représente une moitié du carter destiné a l'ensemble turbine/compresseur de la figure 2. La figure 4 représente une coupe correspondante d'une forme modifiée d'un dispositif turbocompresseur. La figure 5 est une vue éclatée du carter et de l'ensemble turbine/compresseur. La figure 6 est une vue latérale d'un dispositif illustrant la disposition des conduites de connexion permettant de mieux utiliser l'espace disponible. La figure 7 est une vue horizontale d'un collecteur d'échapement d'un moteur à six cylindres et comprenant deux ensembles de suralimentation. La figure 8 est une vue latérale d'un collecteur d'échappement et d'admission selon une disposition selon la figure 7. La figure 9 montre un emplacement possible pour le dispositif de suralimentation quand il s'agit d'un moteur en V. La figure 10 représente un moteur semblable à celui de la figure 1 mais comprenant une seconde turbine à gaz d'échappement apte à être entraînée par le volant du moteur. La figure 11 représente à une échelle légèrement plus grande une chambre de combustion disposée entre le turbocompresseur et la seconde turbine à gaz de la figure 10. La figure 12 représente un moteur à trois cylindres comprenant un ensemble de suralimentation et une seconde turbine à gaz entraînant un auxiliaire. La figure 13 représente à une échelle légèrement plus grande la chambre de combustion disposée entre le turbocompresseur et la seconde turbine à gaz d'échappement de la figure 12. La figure 14 représente un moteur correspondant à celui de la figure 12, mais dont les arbres des rotors sont disposés horizontalement. La figure 15 est une coupe schématique du turbocompresseur de la figure 14. La figure 16 représente une double volute destinée à transférer les gaz de la turbine du turbocompresseur à la seconde turbine d'échappement. La figure 17 représente une disposition modifiée de l'ensemble rotor. La figure 1 représente très schématiquement un moteur à combustion interne à quatre cylindres 10, comprenant un dispositif de suralimentation 11 disposé selon l'invention. Les ouvertures d'échappement et d'admission sont supposées être situées sur le même côté d'un plan médian longitudinal passant par le moteur, et pour illustrer ce principe, les conduites d'échappement 12 et les conduites à air 13 sont séparées plus fortement que cela est le cas dans un mode de réalisation pratique. Le dispositif 11 est disposé de manière que son axe longitudinal soit vertical et un tuyau d'échappement 14 est fixé à son extrémité inférieure, alors qu'une conduite 15 provenant d'un filtre à air et/ou d'un carburateur est fixée à son extrémité supérieure. Cette disposition permet d'obtenir une installation compacte et comprenant un minimum de conduites, par comparaison avec les installations actuelles de turbocompresseurs. L'ensemble turbocompresseur comprend une âme de rotor 16 comportant une roue de turbine 17 et une roue de compresseur 18 qui sont'montées sur un arbre commun 19. L'âme de la turbine, dans le mode de réalisation représente à la figure 2, est montée dans un boîtier cylindrique 20 qui est divisé de toute manière appropriée, par exemple le long d'un plan médian longitudinal, de manière à enfermer facilement l'âme 16 du rotor. Les conduites à air 13 et les conduites d'échappement 12 sont formées à l'intérieur d'un carter 21, qui est réalisé ici en une seule pièce mais qui peut être eventuellement divisé selon un plan perpendiculaire à l'axe du rotor. Dans ce dernier cas, il comprend une première moitié à laquelle sont reliées les conduites à air 13 et une seconde moitié à laquélle sont reliées les conduites d'échappement 12. Dans le mode de réalisation représente, le carter 21 comprend une chambre cylindrique 22 dans laquelle le boîtier du rotor peut glisser par la partie supérieure, de manière à reposer sur un support approprié à la partie inférieure du carter, ou sur un rebord prévu à sa partie supérieure. Le boîtier 20 du rotor est muni d'aubes et/ou de passages de guidage appropriés qui s'adaptent contre des passages correspondants de la paroi définissant la cavité 22. La figure 3 représente une moitié d'un boîtier 20 du rotor, l'amie du rotor ayant été retirée. Dans le mode de réalisation modifié représenté à la figure 4, les conduites d'air et d'échappement 13 et 12 respectivement sont chacune constituées en deux moitiés 25 et 26 qui forment ensemble le carter de l'ensemble de suralimentation. Dans ce cas, les moitiés de carter sont conformées à l'intérieur de manière à recevoir directement les roues 17, 18 du rotor et à coopérer avec elles. Entre ces dernières est ménagé un espace pour un palier 27 qui est monté dans la moitié enveloppante 25 du carter. La figure 5 est une vue eclatee des composants de la figure 4. Des organes annulaires munis d'aubes de guidage 28a et d'éléments diffuseurs 28b sont montés sur le boîtier 27 du palier des rotors. La figure 6 est une vue latérale d'un carter et représente une modification des connexions en vue de mieux utiliser l'espace disponible autour du moteur, et qui convient spécialement à des moteurs en V ou à des installations ou le moteur est monté dans une position inclinée. Le carter est divisé en deux moitiés perpendiculairement a l'axe du rotor et les deux moitiés du carter sont fixées l'une à l'autre au moyen de garnitures élastiques 29 qui comprennent de préférence des soufflets métalliques ou autres organes élastiques résistant à de hautes températures. Ces derniers peuvent être des Joints dits toriques, ou en forme de "E" ou de "U" qui permettent un mouvement limité. On peut également utiliser des surfaces cylindriques conjuguées comprenant des organes annulaires métalliques en forme de O" ou de "U". Comme mentionné ci-dessus, on peut obtenir des avantages considérables en utilisant des matériaux céramiques, spécialement du côté des gaz chauds du système, alors qu'on peut utiliser du côté de l'air des matériaux en métaux légers tels que des alliages d'Al ou de Mg, ou des matériaux composites. Des mouvements thermiques différents apparaissent alors dans les deux moitiés du carter, et ces mouvements doivent être compenses par des jeux appropriés et des garnitures et joints efficaces de nature élastique. La figure 7 représente le collecteur d'échappement 30 d'un moteur a six cylindres. Pour que le dispositif de suralimentation ne s'étende pas trop loip a l'extérieur et sur le côté du bloc moteur, on peut utiliser avantageusement deux petits turbocompresseurs 31 montés côte a côte. Leurs échappements sont avantageusement rassemblés en un tuyau d'échappement commun 32, comme le montre la figure 8 qui est une vue latérale d'une disposition semblable à celle de la figure 7, le collecteur d'admission 33 étant contre le collecteur d'échappement. Des avantages considérables sont apportés par le système décrit ci-dessus quand on fabrique les petits turbocoppresseurs en série. La figure 9 représente un emplacement possible pour disposer les turbocorapresseurs 34 quand il s'agit d'un moteur en V 35. Un turbocompresseur est de préférence situé a l'extérieur de chaque rangée de cylindres du moteur. En raison de la compacité du moteur, il est possible de conserver approxi- mativement la même largeur "B0,, pour un moteur à turbocompresseur ou pour un moteur à aspiration naturelle. Les ensembles turbocompresseurs ont approximativement la même forme que celle représentée à la figure 6. Si la largeur "B" de l'espace disponible dans le moteur le permet, les conduites d'échappement et d'admission peuvent être de forme plus droite, et ceci est indiqué en tiretés sur le côté de droite de la figure. Les ensembles s'étendent alors à l'ex térieur du moteur sur la distance "b" de chaque côté. Dans les modes de réalisation représentés, les ensembles turbocompresseurs ont été fixés de manière que leurs axes de rotation soient sensiblement verticaux, ce qui permet de leur donner une forme simple. Cependant, il est possible de monter les ensembles de manière que les axes de rotation soient horizontaux, auquel cas les collecteurs raccordés respectivement aux ouvertures d'échappement et aux ouvertures d'admission sont de préférence reliés aux extrémités opposées du carter. La fixation de l'amie du rotor peut être réalisée de la même manière que décrite avec référence aux figures 2 et 4. Les modes de réalisation où le carter s'étend librement à partir du bloc moteur conviennent bien à la mise en place d'une seconde turbine à gaz d'échappement dans des installations où la totalité de l'énergie des gaz d'échappement n'est pas utilisée pour comprimer l'air d'alimentation. Cependant, on peut prévoir une chambre de combustion pour augmenter la puissance extraite. La figure 10 représente un moteur de même type que celui représenté à la figure 1. Les conduites d'échappement et d'air 13, 12 sont reliées à un carter 11 qui entoure l'âme du rotor du turbocompresseur (non représenté). L'admission d'air est indiquée en 15 et une seconde turbine à gaz d'échappement 40 ayant un arbre horizontal 41 est fixée à la conduite d'échappement 14. Un train d'engrenages a deux étages 42 et un volant (non représenté) relient l'arbre 41 de la turbine à l'arbre de sortie de puissance 43 du moteur, qui traverse le boîtier 44 qui entoure partiellement le volant (non représenté) du moteur. Une transmission à engrenages ou à courroie, éventuellement du type variable, peut être utilisée pour transmettre l'énergie en surplus des gaz d'échappement à l'arbre de sortie 45. On peut augmenter la puissance de la turbine de suralimentation 17 en envoyant du carburant à la conduite d'échappement 12. Les gaz d'échappement contiennent habituellement une quantité suffisante d'oxygène pour continuer à entretenir une certaine combustion, et à la haute température des gaz le carburant injecté se gazéifie et s'enflamme rapidement. On utilise facilement un carburant gazeux ou liquide, mais il est possible d'utiliser un combustible solide, éventuellement en suspension dans un liquide ou inclus dans un gel. Le dispositif d'injection peut être du type habituel comprenant des brûleurs et il est indiqué sur le dessin par une conduite 46. Il est possible d'une maniere similaire, en variante ou en combinaison avec le brûleur auxiliaire décrit ci-dessus, d'envoyer du carburant auxiliaire à la seconde turbine à gaz d'échappement 40. La figure 11 représente plus en détail une chambre de combustion 47 aménagée en conjonction avec l'extrémité d'é échappement du carter 11. La chambre de combustion est prévue pour un flux inversé, ce qui permet d'obtenir une flamme de plus grande longueur et facilite la gazéification du carburant envoyé au moyen d'une conduite 48 à un brûleur 49 fixé à l'extrémité inférieure de la chambre de combustion et pourvu de moyens de formation d'un tourbillon. La chambre de combustion comprend de préférence un diffuseur d'admission conique qui détermine une réduction de la vitesse des gaz. L'allumage est assuré au moyen d'une bougie 50, éventuellement en conjonction avec un support de flamme 51. La figure 12 représente un moteur à trois cylindres 55 comprenant un dispositif de suralimentation monté dans un carter 11, du même type que décrit ci-dessus. Un boîtier 56 contient les transmissions raccordées aux dispositifs auxiliaires qui leur sont associés. Une seconde turbine à gaz d'échappement 40 est également reliée ici à la conduite d'échappement 14 provenant du carter 11, et elle peut être utilise pour entraîner un générateur électrique ou une pompe hydraulique pour charger ùn accumulateur, par exemple du type à volant 59, qui est souvent utilisé pour les générateurs de puissance hybrides. Un tuyau 46 qui fournit le carburant à la conduite d'échappement 14 est également prévu. La chambre de combustion 58 (voir également la figure 13) alimentée en carburant par un tuyau 48 est fixée à la conduite d'échappement provenant du carter 11 du turbocompresseur. La turbine de turbocompresseur 17 et la seconde turbine à gaz d'échappement 40 peuvent être pourvues d'aubes de guidage et/ou d'un dispositif de dérivation réglable pour améliorer le rendement ou augmenter la puissance de sortie, ou pour obtenir un degré élevé de souplesse. Les turbocompresseurs du type turbine sont en général ceux qui conviennent le mieux, mais il est possible d'utiliserdes rotors du type à déplacement, par exemple à ailes radiales. La figure 14 représente un moteur 60 du même type que celui de la figure 12 et comprenant un ensemble turbocompresseur 61, 62 et une seconde turbine à gaz d'échappement 63, qui sont disposés de manière que leurs axes soient horizontaux. Chaque fois que cela est possible, on utilise les mêmes références que celles de la figure 12. La forme de l'ensemble turbocompresseur apparaît clairement sur la figure 15. Le compresseur 61 et la turbine 62 qui entraîne ce dernier sont tous les deux du type radial, la seconde étant apte à recevoir les gaz selon un courant dirigé vers l'intérieur. La seconde turbine à gaz 63 est de conception similaire. L'échappement de la turbine de turbocompresseur 62 passe par l'intermédiaire d'un passage axial et d'une double volute 64 - voir figure 16 - à la seconde turbine à gaz 63. Les chambres 65 et 66 de la double volute sont conformées de manière à obtenir un courant régulier de gaz et une action naturelle de diffuseur. L'une quelconque ou les deux parois internes sont munies, dans la zone de transition d'une chambre à l'autre, d'une lèvre 67 pouvant pivoter et permettant de régler la dimension du passage du courant. Une chambre de combustion 68 est prévue dans la conduite d'échappement 14 à l'amont de la turbine de turbocompresseur 62 pour augmenter sa puissance. Le compresseur 61 peut être muni d'aubes d'entrée et de sortie réglables 69a, b, et les deux turbines 62, 63 sont munies d'aubes de guidage d'entrée 69d, c. La figure 17 représente un développement de l'lnstalla- tion selon la figure 15. Le moteur 70 est du même type que décrit ci-dessus et il est muni d'un compresseur d'air 71 qui est entraîné par un premier rotor 72 d'une turbine a gaz d'échappement. On prévoit en outre un second et un troisième rotors de turbine 73 et 74 respectivement, montés en série a l'aval du premier rotor. Les rotors de turbine 73 et 74 sont situés dans le même plan vertical et le transfert des gaz du premier au second s'effectue par l'intermédiaire d'une double volute 75 du même type que celle décrite à la figure 16. Un engrenage planétaire 76 relie les arbres des deux rotors de turbine 73 et 74. L'arbre de sortie 76 de l'engrenage peut être utilisé pour entraîner des auxiliaires, ou relié a l'arbre de prélèvement de puissance 77. Le moteur est en outre muni d'un autre arbre de prélèvement de puissance 77a indiqué en tiretés. Un arbre auxiliaire 78 permet de transférer la puissance dans les deux directions entre l'arbre sur lequel est monté le compresseur 71 et le premier rotor de turbine 72 et l'engrenage. Une chambre de combustion 79 est fixée dans la conduite d'échappement 13 a l'amont du premier rotor de turbine 72. Des aubes de guidage reglables 80a, b, c, d sont prévues a l'entrée du compresseur et aux entrées de tous les rotors de turbine. Quand les conduites d'échappement, la chambre de combustion et les turbines sont fabriquées pour leur plus grande part en un matériau céramique, la durée de vie de ces composantes est importante et aussi longue que celle du moteur. Les rotors montés dans des paliers a air n'ont pas besoin de beaucoup d'entretien. Les materiaux céramiques ont un poids spécifique qui est environ le tiers de celui de l'acier, ce qui permet d'obtenir un ensemble très léger. En raison de la puissance spécifique élevée que l'on peut obtenir, l'installation du moteur n'a besoin que d'un espace reduit. Le volume des turbines à gaz d'échappement est d'environ la moitié de celui des installations actuelles. Lorsqu'il s'agit de moteurs Otto, on prévoit de préférence un dispositif de contrôle de cognement qui détecte d'éventuelles variations de la pression intérieure dans le cylindre et actlonne une soupape dans une conduite de dérivation. Le moteur peut alors être actionné à une pression moyenne efficace de freinage sans avoir tendance à cogner. Ceci apporte la possibilité d'une adaptation automatique à des carburants de nombre d'octanes et/ou de qualité variables. On peut également utiliser des injections d'eau, et pour obtenir un melanye efficace de l'eau, celle-ci est de préférence envoyée par une buse à l'amont du compresseur du turbocompresseur. Les rotors de turbine en matériau céramique conviennent bien à l'utilisation des gaz d'échappement obtenus par combustion d'un combustible solide tel qu'un charbon pulvérisé. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés, et la forme et l'emplacement des composants associés peuvent être modifiés de diverses façons tout en restant dans le champ d'application des revendications an nexées. REVEriDICATIOWS 1. Dispositif à turbocompresseur pour moteur à combustion interne, caractérise en ce que les conduites (12, 13) qui communiquent avec les ouvertures d'admission et d'échappement du moteur sont rassemblées dans un carter en une seule pièce (11) dont l'axe longitudinal est sensiblement parallèle au plan médian longitudinal passant par les cylindres, et dans lequel est monté au moins un ensemble turbine/compresseur (16) ayant une sortie et une entrée (14, 15) dirigées axialement. 2. Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carter (11) comprend une cavité cylindrique (22) ouverte complètement au moins à l'une de ses extrémités, et en ce que l'ensemble turbine/compresseur (16) est monté dans un boîtier cylindrique (20) apte à être glissé dans la cavité en direction axiale. 3. Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conduites d'admission et d'échappement (12, 13) sont rassemblées, chacune séparément, dans une moitié (25, 26) d'un carter (la) qui est divisé dans un plan perpendiculaire à son axe longitudinal et qui comprend une cavité apte à recevoir directement les rotors (25, 26) de l'ensemble turbine/compresseur. 4. Dispositif à turbocompresseur selon l'une des revendications 1 à 3, et utilisé avec un moteur à plusieurs cylindres, caractérisé en ce que les collecteurs d'échappement et d'admission (30, 33) comprennent au moins deux ensembles turbine/compresseur (31) fonctionnant en parallèle. 5. Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système d'échappement est muni d'un passage d'échappement (32) commun à tous les ensembles turbine/compresseur. 6. Dispositif à turbocompresseur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une seconde turbine à gaz d'échappement (40) est montée à l'extrémité d'échappement du carter (11) et comprend un arbre (41) relié à des moyens (43, 47) en vue de transformer l'énergie résiduelle contenue dans les gaz en puissance mecanique. 7. Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'arbre de la seconde turbine d'é chappement (40) ést relié par l'intermédiaire d'un engrenage réducteur (42) au vilebrequin (45) du moteur, de préférence en liaison avec un volant monté sur lui. 8. Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'arbre de la seconde turbine d'é chappement (40) est aménagé pour entraîner au moins l'un des auxiliaires (47) du moteur. 9. Dispositif à turbocômpresseur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (46) pour envoyer du carburant à la conduite d'échappement (12) entre la sortie du moteur et la turbine du turbocompresseur. 10. Dispositif à turbocompresseur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (48) pour envoyer du carburant au passage d'échappement entre la turbine du turbocompresseur et la seconde turbine (40).