Brevet FR2662211A1 — publié le 19911122

i La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne à pistons, suralimenté par un groupe au moins de turbocompresseurs à gaz d'échappement qui peuvent être mis hors service et dont chacun est composé d'une turbine à gaz d'échappement comportant une enveloppe et d'un compresseur d'air de suralimentation comportant une enveloppe, tous les turbocompresseurs d'un groupe étant fixés au moteur au moyen d'un caisson hermétique, les enve- loppes de leurs turbines se trouvant dans ce caisson et les enveloppes de leurs compresseurs étant à l'extérieur, le passage de sortie des gaz d'échappement d'une première turbine au moins communiquant avec l'entrée d'une seconde turbine et les sorties des secondes turbines communiquant en commun avec un tuyau d'échappement. Dans un moteur à combustion interne suralimenté par l'entremise de ses gaz d'échappement, il est possible d'améliorer de manière connue le rapport de suralimentation sous charge partielle, en faisant fonctionner en parallèle plusieurs turbocompresseurs lorsque la production de gaz d'échappement est élevée et en mettant hors service une partie de ces turbocompresseurs, en obturant leurs conduits d'alimentation, quand la quantité de gaz d'échappement produite diminue Lorsque le moteur fonctionne sous charge partielle, le gaz produit est réparti dans un nombre réduit de turbocompresseurs, qui fonctionnent par conséquent au voisinage de leur régime nominal, c'est-à-dire avec un meilleur rendement Par suite, la pression de l'air de suralimentation est plus élevée et l'on dispose d'une plus grande quantité de cet air Ce plus grand excédent d'air améliore le déroulement de la combustion, diminue la con- sommation de carburant, et le moteur fonctionne sans dégager de fumées, même dans le cas des moteurs à pistons qui par construction, ont une pression intermédiaire élevée. Un agencement de ce genre est connu grâce au brevet DE-C 2-3 005 655 Les inconvénients de cet agencement connu consistent dans son encombrement encore considérable, si le débit de l'air de suralimentation doit être adapté très précisément à la quantité de gaz d'échappement disponible sous charge partielle du moteur Il est malaisé de monter plusieurs groupes de turbocompresseurs, en particulier sur les moteurs de faibles dimensions. La présente invention a pour but d'optimiser l'en- combrement d'un groupe de turbocompresseurs à gaz d'échap- pement pouvant être mis hors service, compte tenu d'une adaptabilité fine aussi bien à la quantité de gaz dispo- nible, de la part des turbines, qu'aux besoins du moteur en air de suralimentation, de la part des compresseurs. Conformément à l'invention, trois turbocompresseurs sont fixés côte à côte à une paroi latérale du caisson, le conduit collecteur des gaz d'échappement du moteur est relié à l'entrée de la turbine du turbocompresseur central, un dispositif pivotant d'aiguillage des gaz d'échappement est disposé à la sortie de cette turbine du turbocompres- seur central qui,dans une première position, fait commu- niquer cette sortie du turbocompresseur central avec les entrées des turbines des deux turbocompresseurs adjacents et, dans une seconde position, fait communiquer directe- ment le passage de sortie des gaz du turbocompresseur cen- tral avec le tuyau d'échappement. En raison de la proximité étroite des trois turbo- compresseurs disposés côte à côte, les conduits qui les relient sont très courts, aussi bien du côté des compres- seurs que du côté des turbines. Conformément à d'autres caractéristiques de l'inven- tion, un dispositif d'aiguillage, destiné à faire balayer par les gaz la totalité ou une partie de la turbine du turbocompresseur central,peut être disposé entre le conduit collecteur des gaz d'échappement et l'entrée de cette turbine. Par ailleurs, un dispositif d'aiguillage de l'air de suralimentation, monté devant l'entrée de la roue à aubes du turbocompresseur central, peut comporter une tubulure d'éjection communiquant avec cette entrée, au moins deux tubulures d'admission et un organe obturateur pouvant coo- pérer avec ces tubulures d'admission, l'une de ces dernières pouvant être coaxiale à la tubulure d'éjection et les deux autres étant sensiblement tangentes à cette tubu- lure d'éjection. L'organe obturateur peut être composé de deux volets qui, dans une position, obturent la tubulure d'admission coaxiale et dans une seconde position, ferment les tubu- lures tangentielles, ces dernières pouvant communiquer chacune avec le conduit d'aspiration respectif des deux turbocompresseurs extérieurs. Enfin, les conduits d'air comprimé de suralimenta- tion des deux turbocompresseurs extérieurs peuvent communi- quer avec la tubulure d'alimentation coaxiale du dispositif aiguilleur d'air de suralimentation et le conduit d'air comprimé de suralimentation du turbocompresseur central peut communiquer avec le conduit collecteur d'air de sur- alimentation du moteur. Les avantages obtenus grâce à un agencement selon l'invention résident en particulier en ce qu'il donne une disposition très ramassée à un groupe de turbocompresseurs et à tous ses conduits, tubulures et organes de manoeuvre, en ce que le moteur peut être alimenté par un air de sur- alimentation comprimé par un certain nombre d'étages pou- vant être mis en et hors circuit, et en ce que les avan- tages de ce mode d'alimentation variable sont exploitables aussi sur des moteurs de dimensions réduites. L'invention va maintenant être décrite de manière plus détaillée dans le cas d'un exemple de réalisation présenté à titre illustratif et nullement limitatif et représenté sur les dessins annexés, sur lesquels: la figure l représente schématiquement un moteur à combustion interne équipé d'un groupe de turbocompresseurs à gaz d'échappement dont chacun peut être mis hors service; la figure la représente le dispositif d'aiguillage des gaz d'échappement, dans une position de ce dispositif décalée de 900 par rapport à la figure 1; la figure 2 est une coupe longitudinale du dispo- sitif d'aiguillage de l'air de suralimentation, par la ligne II-II de la figure 3; et la figure 3 est une coupe transversale de ce dispo- sitif d'aiguillage par la ligne III-III de la figure 2. Un moteur 11 à combustion interne et à pistons, comportant plusieurs cylindres disposés en deux rangées, est relié par un conduit 12 collecteur de gaz d'échappement et par un conduit 13 collecteur d'air de suralimentation, à un groupe de turbocompresseurs 14, 15, 16 à gaz d'échap- pement Chacun de ces turbocompresseurs 14, 15, 16 est composé d'une turbine 17, 19, 21 à gaz d'échappement com- portant une enveloppe respective, et d'un compresseur 18, , 22 d'air de suralimentation ayant aussi une enveloppe respective Les turbocompresseurs 14, 15, 16 du groupe sont montés sur le moteur 11 au moyen d'un caisson 23 hermétique et fixés côte à côte sur une paroi latérale 24 de ce caisson Les enveloppes des turbines des trois turbocom- presseurs 14, 15, 16 se trouvent à l'intérieur du caisson 23 et les enveloppes des compresseurs sont à l'extérieur. Le conduit 12 collecteur des gaz d'échappement com- munique avec le passage d'entrée des gaz dans la turbine 17 du turbocompresseur 14 central Un dispositif 28 de répar- tition et d'aiguillage des gaz d'échappement, qui peut tourner sur l'axe de son passage d'entrée et être amené à deux positions à 900 l'une de l'autre, est placé à la sortie 25 des gaz de ce turbocompresseur 14 central Dans une première position, représentée sur la figure 1, ce dispositif 28 d'aiguillage fait communiquer cette sortie 25 de gaz d'échappement du turbocompresseur 14 central avec les entrées 49, 50 de gaz dans les deux turbocompresseurs 15, 16 adjacents Cette première position du dispositif 28 d'aiguillage, qui est établie lorsque le moteur 11 fonc- tionne à pleine charge, provoque la compression en deux étages de l'air de suralimentation, le turbocompresseur 14 central constituant le premier étage et les deux turbocom- presseurs 15, 16, qui fonctionnent en parallèle, formant le second étage. Dans la seconde position du dispositif 28 d'aiguil- lage, qui est représentée sur la figure la et qui est établie quand le moteur Il fonctionne à vide ou sous charge partielle, le passage 25 de sortie des gaz du turbocompres- seur 14 central communique directement avec le tuyau 29 d'échappement L'alimentation en gaz des deux turbocompres- seurs 15, 16 est donc coupée, de sorte que l'air de surali- mentation n'est comprimé que dans un seul étage, par l'entremise de ce turbocompresseur 14 central. Le dispositif 28 d'aiguillage des gaz d'échappement est manoeuvré par un mécanisme rotatif 30 commandable. Les passages 26, 27 de sortie des gaz des turbocom- presseurs 15, 16 communiquent en permanence avec le tuyau 29 d'échappement. La turbine 17 du turbocompresseur 14 central est équipée à son entrée d'un dispositif 31 d'aiguillage ou distributeur, de gaz d'échappement qui permet d'alimenter- totalement ou en partie le rotor de cette turbine 17 en fonction de la quantité de gaz d'échappement fournie par le moteur 11 De la sorte, même lorsque cette quantité fournie varie, la turbine 17 peut fonctionner avec un bon rendement et une forte production rapportée au débit-masse des gaz. Un filtre 35, 36 à air d'aspiration est associé à chacun des tuyaux 33, 34 d'aspiration des deux turbocom- presseurs 15, 16 Un dispositif 40 d'aiguillage de l'air de suralimentation, disposé devant l'entrée 32 de la roue à aubes du compresseur 18 du turbocompresseur 14 central, comporte (voir figure 2) une tubulure 43 d'éjection commu- niquant avec cette entrée 32, une tubulure 44 d'admission coaxiale à cette tubulure 43, deux tubulures 41, 42 d'admission disposées tangentiellement à ladite tubulure 43 et un organe obturateur commandé, composé de volets 45, 46. Ces volets 45, 46 sont équipés d'une barre de torsion, de façon à être sollicités à prendre, sous l'action de cette barre, la position représentée en traits mixtes sur la figure 2. Les tubulures 41, 42 tangentielles d'admission sont reliées, en aval des filtres 35, 36 au tuyau 33, 34 d'aspi- ration respectivement adjacent, et la tubulure 44 coaxiale communique avec la sortie d'un refroidisseur 37 intermé- diaire de l'air de suralimentation Les conduits 38, 39 d'air comprimé de suralimentation des deux turbocompres- seurs 15, 16 débouchent dans ce refroidisseur 37 intermé- diaire, et le conduit 47 d'air comprimé de suralimentation du turbocompresseur 14 central va à un autre refroidisseur 48, d'o part le conduit 13 collecteur d'air de suralimentation. La position que les volets 45, 46 prennent en ser- vice dépend de l'alimentation en gaz des turbocompresseurs 14, 15, 16, fonction de la position du dispositif 28 d'aiguillage des gaz d'échappement. Lorsque ce dispositif 28 d'aiguillage occupe la position qui est représentée sur la figure 1 et qui corres- pond au fonctionnement du moteur 11 sous pleine charge, les deux turbocompresseurs 15, 16 sont en service L'air de suralimentation précomprimé dans les compresseurs 20, 22 parvient par les conduits 38, 39 dans le refroidisseur 37 intermédiaire, puis dans la tubulure 44 coaxiale d'admis- sion du dispositif 40 d'aiguillage de l'air de suralimenta- tion Sous l'action de ce courant 51 d'air de suralimenta- tion, les volets 45, 46 pivotent à la position représentée en traits pleins sur la figure 2, en obturant les tubulures 41, 42 tangentielles, et l'air précomprimé passe sans gira- tion dans le compresseur 18 du turbocompresseur 14 central. Il y a par conséquent surcompression en deux étages, les turbocompresseurs 15, 16 constituant l'étage basse pression et le turbocompresseur 14 l'étage haute pression. Lorsque le moteur 11 fonctionne à vide ou sous charge partielle, le dispositif 28 d'aiguillage se trouve dans la position représentée sur la figure la Les turbo- compresseurs 15, 16 ne sont plus alimentés en gaz et s'arrêtent Le moteur 11 est par conséquent alimenté en air de suralimentation uniquement par le turbocompresseur 14 central Les turbocompresseurs 15, 16 ne fournissent plus d'air de suralimentation et le courant d'air 51 ne passe donc plus dans la tubulure 44 coaxiale du dispositif 40 d'aiguillage Par suite, les volets 45, 46 reviennent, sous l'action de leurs barres de torsion, à leur position de repos représentée en traits mixtes et dégagent les embou- chures des tubulures 41, 42 tangentielles La dépression que le compresseur 18 du turbocompresseur 14 crée dans la tubulure 43 d'éjection aide les volets 45, 46 à revenir à cette position de repos Ce compresseur 18 peut aspirer de l'air de l'atmosphère par les tubulures 41, 42 tangen- tielles et par les filtres 35, 36 à air. Les deux tubulures 41, 42 d'admission débouchent tangentiellement dans le dispositif 40 d'aiguillage, de façon qu'il se crée dans la tubulure 43 d'éjectionet donc à l'entrée 32 de la roue à aubes un écoulement giratoire 52, ayant le même sens d'écoulement que le sens de rotation de cette roue à aubes du turbocompresseur 14 Ce mouvement de giration compense, sur les aubes du compresseur 18, les manques d'air que provoqueraitsinonle faible débit d'air dans cet état de fonctionnement du moteur 11 et du turbo- compresseur 14 Ce compresseur 18 fonctionne par conséquent avec un rendement optimal et avec un diagramme ou champ caractéristique de compression qui s'élargit dans le sens de la diminution du débit massique. On voit que le dispositif décrit ci-dessus peut s'appliquer notamment à des moteurs à pistons, à combustion interne, ayant une puissance moyenne. Il va de soi qu'il est possible, sans s'écarter du domaine de l'invention, d'apporter des modifications au moteur à combustion interne alimenté par un groupe de tur- bocompresseurs, représenté et décrit. REVENDICATIONS 1 Moteur à combustion interne à pistons, alimenté par un groupe au moins de turbocompresseurs à gaz d'échap- pement, qui peuvent être mis hors service et dont chacun est composé d'une turbine à gaz d'échappement, comportant une enveloppe, et d'un compresseur d'air de suralimentation comportant une enveloppe, tous les turbocompresseurs d'un groupe étant fixés au moteur au moyen d'un caisson hermé- tique, les enveloppes de leurs turbines se trouvant dans ce caisson et les enveloppes de leurs compresseurs étant à l'extérieur, et le passage de sortie des gaz d'échappement d'au moins une première turbine communiquant avec l'entrée d'une seconde turbine et les sorties des secondes turbines communiquant en commun avec un tuyau d'échappement, moteur caractérisé en ce que trois turbocompresseurs ( 14, 15, 16) sont fixés côte à côte à une paroi latérale ( 24) du caisson ( 23), le conduit ( 12) collecteur des gaz d'échappement du moteur ( 11) est relié à l'entrée de la turbine ( 17) du turbocompresseur central ( 14), un dispositif ( 28) pivotant d'aiguillage des gaz d'échappement est disposé à la sortie ( 25) de cette turbine ( 17) du turbocompresseur central ( 14) et, dans une première position, il fait communiquer cette sortie ( 25) du turbocompresseur central ( 14) avec les entrées des turbines ( 19, 21) des deux turbocompresseurs ( 15, 16) adjacents et, dans une seconde position, il fait communiquer directement cette sortie ( 25) du turbocom- presseur ( 14) avec le tuyau d'échappement ( 29). 2 Moteur suralimenté selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un dispositif ( 31) d'aiguillage, des- tiné à alimenter totalement ou partiellement en gaz la turbine ( 17) du turbocompresseur central ( 14), est disposé entre le conduit ( 12) collecteur des gaz d'échap- pement et l'entrée de ce turbocompresseur central ( 14). 3 Moteur suralimenté selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un dispositif ( 40) d'aiguillage de l'air de suralimentation, disposé devant l'entrée ( 32) de la roue à aubes du turbocompresseur central ( 14), comporte une tubulure ( 43) d'éjection communiquant avec cette entrée ( 32), au moins deux tubulures ( 41, 42, 44) d'admission, et un organe obturateur qui coopère avec ces tubulures ( 41, 42, 44) d'admission. 4 Moteur suralimenté selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'une ( 44) des tubulures d'admission du dispositif ( 40) d'aiguillage de l'air de suralimentation est coaxiale à la tubulure ( 43) d'éjection. Moteur suralimenté selon la revendication 4, caractérisé en ce que deux autres tubulures ( 41, 42) d'admission sont disposées sensiblement tangentiellement à la tubulure ( 43) d'éjection du dispositif ( 40) d'aiguillage de l'air de suralimentation. 6 Moteur suralimenté selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'organe obturateur est composé de deux volets ( 45, 46) qui, dans une première position, obtu- rent la tubulure ( 44) coaxiale d'admission et, dans une seconde position, ferment les tubulures ( 41, 42) tangen- tielles d'admission. 7 Moteur suralimenté selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacune des tubulures ( 41, 42) tan- gentielles d'admission communique avec le conduit ( 33, 34) d'aspiration respectif de l'un des deux turbocompresseurs ( 15, 16) extérieurs. 8 Moteur suralimenté selon la revendication 3, caractérisé en ce que les conduits ( 38, 39) d'air comprimé de suralimentation des deux turbocompresseurs ( 15, 16) extérieurs communiquent avec la tubulure ( 44) coaxiale d'admission du dispositif ( 40) d'aiguillage de l'air de suralimentation, et le conduit ( 47) d'air comprimé de sur- alimentation du turbocompresseur central ( 14) communique avec le conduit ( 13) collecteur d'air de suralimentation du moteur ( 11).