Brevet FR2549534A1 — publié le 19850125

La présente invention concerne la suralimentation de moteurs à combustion interne, et en particulier de moteurs de véhicules automobiles, o la demande accrue de réduction de poids et de volume signifie que l'espace disponible est plus réduit mais o les exigences concernant l'entretien et le remplacement facilesdes 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. L'énergie totale dépasse souvent ce qui est nécessaire pour fournir la quantité requise d'air de combustion Une conception favorable ainsi qu'un emplacement approprié d'une seconde turbine en série avec la turbine entraînant le compresseur permet d'augmenter le rendement du moteur. Le dispositif à turbocompresseur conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'une première turbine entraîne le compresseur alors qu'une seconde turbine est reliée au moteur pour l'entraîner La première turbine et le compresseur sont de préférence montés en présentant leurs axes disposés perpendiculairement au vilebrequin du moteur, alors que la seconde turbine est 25 montée avec son arbre parallèle au vilebrequin. Les deux turbines peuvent être conçues pour traiter les gaz moteurs dirigés radialement vers l'avant, et elles peuvent alors être montées avec leurs arbres disposés horizontalement et sur le même côté du moteur. 30 La seconde turbine est montée plus bas que la première turbine et une volute double transfère les gaz de la première à la seconde turbine. Une troisième turbine, conçue pour traiter les gaz dirigés radialement vers l'extérieurpeut être placée entre les deux turbines mentionnées plus haut et direc- tement à l'aval de la première turbine. Les arbres de sortie des seconde et troisième turbines peuvent être reliés entre eux par un système à engrenage relié à l'arbre de sortie du moteur et, aussi, dans une forme de réalisation, éventuellement au compresseur. L'invention est décrite ci-dessous avec référence aux dessins ci-annexés. La figure 1 représente un moteur à combustion 10 interne suralimenté comprenant une seconde turbine à gaz d'échappement apte à être entraînée par le volant du moteur. La figure 2 représente à une échelle légèrement plus grande une chambre de combustion disposée entre le 15 turbocompresseur et la seconde turbine à gaz de la figure 1. La figure 3 représente un moteur à trois cylindres comprenant un ensemble de suralimentation et une seconde turbine à gaz entrainant un auxiliaire. La figure 4 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 3. La figure 5 représente un moteur correspondant à 25 celui de la figure 3, mais dont les arbres des rotors sont disposés horizontalement. La figure 6 est une coupe schématique du turbocompresseur de la figure 5. La figure 7 représente une double volute destinée 30 à transférer les gaz de la turbine du turbocompresseur à la seconde turbine d'échappement. La figure 8 représente une disposition modifiée de l'ensemble rotor. Les conduites à air et les conduites d'échappement 35 sont de préférence formées à l'intérieur d'un carter en une seule pièce et qui peut être éventuellement 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 et une seconde moitié à laquelle sont reliées les conduites d'échappement Le carter comprend une chambre cylindrique dans laquelle un boîtier du rotor du turbocompresseur 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 bottier 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, un ensemble turbocompresseur comprend de manière habituel15 le une âme de rotor comportant une roue de turbine et une roue de compresseur qui sont montées sur un arbre commun. Un train d'engrenages à 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 courroies, éventuellement du type variable, peut être utilisée pour transmettre l'énergie en surplus des 25 gaz d'échapement 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 30 continuer à entretenir une certaine combustion, et à la haute température des gaz le carburant injecté se gazéfie et s'enflamme rapidement. On utilise facilement un carburant gazeux ou liquide, mais il est possible d'utiliser un combustible solide, 35 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 manière 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 2 représente plus en détail une chambre de combustion 47 aménagée en conjonction avec l'extré10 mité d'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 15 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, éven20 tuellement en conjonction avec un support de flamme 51. La figure 3 représente un moteur à trois cylindres 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 25 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 utilisée pour entraîner un générateur électrique ou une pompe hydraulique pour 30 charger un 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 4) 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 10 possible d'utiliser des rotors du type à déplacement, par exemple à ailes radiales. La figure 5 représente un moteur 60 du même type que celui de la figure 3 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 3. La forme de l'ensemble turbocompresseur apparaît clairement sur la figure 6 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 25 62 passe par l'intermédiaire d'un passage axial et d'une double volute 64 voir figure 7 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 35 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 69 a, b, et les deux turbines 62, 63 sont munies d'aubes de guidage d'entrée 69 d, c. 5 La figure 8 représente un développement de l'installation selon la figure 6. Le moteur 70 est du même type que décrit cidessus et il est muni d'un compresseur d'air 71 qui est entraîné par un premier rotor 72 d'une turbine à 10 gaz d'échappement On prévoit en outre un second et un troisième rotor de turbine 73 et 74 respectivement, montés en série à 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 15 s'effectue par l'intermédiaire d'une double volute 75 du même type que celle décrite à la figure 7. 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 20 auxiliaires, ou relié à l'arbre de prélèvement de puissance 77 Le moteur est en outre muni d'un autre arbre de prélèvement de puissance 77 a indiqué en tiretés. Un arbre auxiliaire 78 permet de transférer la puissance dans les deux directions entre l'arbre sur 25 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 à l'amont du premier rotor de turbine 72 Des aubes de guidage réglables 80 a, b, c, d sont prévues à l'entrée du com30 presseur 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 composants est importante et aussi longue que celle du moteur Les rotors montés dans des paliers à air n'ont pas besoin de beaucoup d'entretien. Les matériaux 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 réduit 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 10 de préférence un dispositif de contrôle de cognement qui détecte d'éventuelles variations de la pression intérieure dans le cylindre et actionne une soupape dans une conduite de dérivation Le moteur peut alors être actionné à une pression moyenne efficace de freinage 15 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 mélange efficace de l'eau, celle-ci 20 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 25 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'appli30 cation des revendications annexées Il est évident à ce sujet que la seconde turbine peut très bien recevoir l'échappement de deux ou de plusieurs premières turbines comme du même moteur. REVENDICATIONS 1 Dispositif à turbocompresseur pour un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend: une première turbine recevant les gaz d'échap5 pement du moteur et présentant un arbre de sortie entraînant un compresseur fournissant l'air de combustion au moteur, et une seconde turbine recevant les gaz s'échappant de la première turbine et présentant un arbre de 10 sortie relié audit moteur pour l'entraîner. 2 Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour fournir du combustible supplémentaire au passage entre les première et seconde turbines. 15 3 Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première turbine ainsi que le compresseur sont tous deux montés avec leurs axes disposés perpendiculairement au vilebrequin du moteur, alors que la seconde turbine est 20 montée avec son arbre parallèle audit vilebrequin. 4 Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 1,-caractérisé en ce que les première et seconde turbines sont conçues pour traiter des gaz moteurs s'écoulant radialement vers l'intérieur, 25 lesdites turbines et ledit compresseur étant en outre prévus pour être montés avec leurs arbres dirigés horizontalement et du même côté du moteur. Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la seconde turbine 30 est montée à un niveau inférieur a la première turbine, un dispositif à double volute transférant les gaz depuis la première turbine vers la seconde turbine. 6 Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde turbines sont conçues pour traiter des gaz moteurs dirigés radialement vers l'intérieur, et en ce qu'il comprend en outre une troisième turbine interposée entre les première et seconde turbines et conçue pour traiter des gaz moteurs dirigés radialement vers l'exté5 rieur et pour recevoir l'écoulement gazeux directement à partir de la sortie de la première turbine. 7 Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 6, comprenant en outre un système à engrenages reliant entre eux les arbres de sortie des seconde et troisième turbines et l'arbre de sortie du moteur. 8 Dispositif à turbocompresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système à engrenages reliant entre eux les arbres de sortie des seconde et troisième turbines et l'arbre de sortie du moteur ainsi que le compresseur.