Brevet FR2676511A1 — publié le 19921120

"Machine soufflante radiale comportant un rotor de soufflante tournant dans un carter en spirale comme air secondaire à la veine de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'automobile". La présente invention concerne une machine soufflante radiale pour créer un flux d'air fourni comme air secondaire à la veine de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un véhi- cule automobile, comportant un rotor de soufflante tournant dans un carter en spirale et ayant une sortie de soufflante dirigée sensiblement dans la direction tangentielle. On connaît deux procédés pour augmenter le rendement d'un catalyseur à trois voies, réglé, à sa- voir la ré-injection des gaz d'échappement et l'intro- duction d'air secondaire. Ces procédés réduisent au minimum la forma- tion des oxydes d'azote ou encore ils réduisent la te- neur en monoxydes de carbone et en hydrocarbures avant que les gaz d'échappement n'atteignent le catalyseur. Dans le cas de l'injection d'air secondaire, le flux des gaz d'échappement reçoit de l'air frais à un point aussi rapproché que possible en aval des mo- teurs pour éliminer les hydrocarbures et le monoxyde de carbone résultant de la combustion On réalise ain- si une postcombustion des gaz d'échappement à des tem- pératures supérieures à 6000 C De plus, dans le cas de cette opération de combustion, le catalyseur reçoit de la chaleur supplémentaire Cela est particulière- ment avantageux dans le cas d'un démarrage à froid, lorsqu'on utilise un mélange relativement riche ce qui augmente automatiquement la teneur en CO et en hydro- carbure, d'une manière plus que proportionnelle. L'injection d'air secondaire dans les gaz d'échappement chauds met pratiquement en oeuvre une postcombustion au cours de laquelle les monoxydes de carbone et hydrocarbure non brûlés dans le moteur sont oxydés ou brûlés L'alimentation en air secondaire en- traîne néanmoins un effet supplémentaire Le cataly- seur réglé ne se met en oeuvre de manière optimale qu'à partir d'une certaine température de fonctionne- ment Cette phase de montée en température peut durer un certain temps pendant lequel le véhicule parcourt plusieurs kilomètres La postcombustion par un système d'alimentation d'air secondaire augmente de manière caractéristique la température des gaz d'échappement au cours de cette phase de réchauffage Des températu- res plus élevées permettent de mettre en oeuvre plus rapidement le catalyseur de type G (catalyseur régu- lé) Le catalyseur G peut assurer plus rapidement sa fonction, à savoir la conversion des composants no- cifs. Toutefois, il est difficile dans le cas d'u- ne alimentation en air secondaire, de créer une machi- ne soufflante compacte, efficace, qui soit en mesure de vaincre la pression élevée qui règne dans le flux des gaz d'échappement et d'introduite une quantité suffisante d'air frais dans le flux des gaz d'échappe- ment Il faut prendre en compte dans ce cas que dans le volume du moteur, on ne dispose que de très peu de place pour des accessoires, si bien que la compacité de la construction d'une machine soufflante puissante, constitue un critère particulièrement important Par- tant du fait qu'une machine soufflante radiale à rotor tournant dans un carter en spirale constitue une ma- chine soufflante particulièrement efficace, le but du développement consiste à créer une machine soufflante radiale à plusieurs étages permettant d'atteindre les pressions élevées nécessaires. L'invention a pour point de départ une ma- chine soufflante radiale correspondant au type défini ci-dessus Néanmoins, une telle machine soufflante à un seul étage, ne peut atteindre la pression nécessai- re (correspondant au débit d'air frais) qui est d'au moins 150 mbars, si ces dimensions dépassent de maniè- re significative les dimensions autorisées ici ou si l'on part de vitesses de rotation extrêmement élevées, mais qui nécessitent un moteur coûteux. A cet effet, la présente invention concerne une machine soufflante correspondant au type défini ci-dessus, caractérisée en ce que la sortie de souf- flante fait avec le plan de rotation du rotor un angle aigu convergeant dans la direction d'écoulement de l'air, et débouchant dans une chambre de guidage d'air dans laquelle des éléments de guidage solidaires du boîtier dirigent l'air entrant essentiellement dans la direction radiale par rapport à un orifice de passage aligné dans la direction de l'axe de rotation du rotor de la machine soufflante, orifice qui débouche dans la zone centrale d'un second carter en spirale logeant un second rotor de machine soufflante. La machine soufflante selon l'invention of- fre l'avantage vis-à-vis de l'état de la technique, de présenter une construction compacte et de satisfaire aux conditions concernant la pression finale de la ma- chine soufflante, en permettant d'associer un second étage de machine soufflante à la chambre de guidage d'air, et qui fournit le flux d'air à un autre étage de machine soufflante le cas échéant par l'intermé- diaire d'une seconde chambre de guidage Ainsi, l'in- vention utilise le rendement élevé des machines souf- flantes radiales à rotor tournant dans un carter en spirale, ce qui permet d'atteindre la pression néces- saire et le débit d'air souhaité, même dans le cas d'une machine soufflante compacte à plusieurs étages. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la chambre de guidage d'air est en forme de carter en spirale avec des éléments de guidage en for- me de pales, disposés de manière essentiellement con- centrique par rapport à l'orifice de passage et de ma- nière radiale par rapport à celui-ci, et en ce que l'extrémité extérieure des pales de guidage est éloi- gnée d'une distance de la paroi intérieure en spirale qui, partant de l'embouchure de la sortie de la machi- ne soufflante, varie dans la direction de l'écoulement de l'air pour passer d'une valeur maximale à la valeur nulle. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les pales de guidage de l'air d'arrivée sont courbées de manière opposée et les surfaces d'attaque font avec la paroi intérieure en spirale du carter de guidage d'air, un angle obtus. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, l'extrémité intérieure des pales de guidage arrive jusqu'à proximité de l'orifice de passage. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la distance entre l'extrémité extérieure des pales de guidage et la paroi intérieure en spirale varie de manière régulière. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la machine soufflante radiale ainsi que la chambre de guidage d'air, constituent un module rece- vant en aval un module réalisé de manière correspon- dante. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la machine soufflante comprend au moins deux modules suivis d'un étage de machine soufflante, en aval selon la direction d'écoulement de l'air et dont le carter en spirale comporte un orifice de sortie re- lié au collecteur de gaz d'échappement du moteur à combustion interne. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la machine soufflante est reliée à un moteur électrique. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la conduite de pression reliant la machine soufflante au collecteur de gaz d'échappement est mu- nie d'un élément d'obturation de préférence d'un cla- pet d'arrêt. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la conduite de pression débouche dans la con- duite des gaz d'échappement en amont d'un catalyseur dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement. Un exemple de réalisation de l'invention est représenté aux dessins et sera décrit ci-après de ma- nière plus détaillée Ainsi, la figure 1 est un schéma de principe d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile avec alimentation d'air secondaire à travers un filtre d'air par une conduite d'air secondaire débouchant dans le flux des gaz d'échappement. la figure 2 est une coupe longitudinale d'un mode de réalisation d'une machine soufflante ra- diale, la coupe étant faite selon la ligne II-II aux figures 3 et 4. la figure 3 est une coupe de la machine soufflante radiale selon la ligne de coupe III-III à la figure 2. la figure 4 est une coupe de la machine soufflante radiale selon la ligne de coupe IV-IV à la figure 2. la figure 5 est une coupe partielle de la machine soufflante radiale selon la ligne de coupe V-V à la figure 3. Description de l'exemple de réalisation Selon la figure 1, un moteur à combustion interne 10 d'un véhicule automobile non représenté comporte un collecteur d'échappement 12 dans lequel se trouve un catalyseur régulé (encore appelé catalyseur G) 14 Les gaz d'échappement s'écoulent selon la flè- che 16 En amont du catalyseur 14 selon le sens d'é- coulement des gaz d'échappement, il y a une sonde X 18 De plus, il est prévu une machine soufflante 20 qui est reliée par une conduite d'aspiration 22 à la conduite d'air frais 24 du moteur à combustion interne La conduite d'aspiration 22 est reliée à l'entrée d'air du moteur à combustion interne 10 Une conduite de pression 26 relie la machine soufflante 20 au col- lecteur de gaz d'échappement 12 Cette conduite débou- che en amont (flèche 16 indiquant la direction de l'é- coulement) du catalyseur 14 De plus, un clapet d'ar- rêt 28 est prévu dans la conduite de pression 26 A l'arrêt de la machine soufflante 20, se clapet inter- dit aux gaz d'échappement d'arriver dans la conduite d'air frais 24 du moteur à combustion interne 10 Le clapet d'arrêt 28 peut être remplacé le cas échéant par d'autres moyens comme par exemple une électrovan- ne. La machine soufflante 20 est représentée en coupe longitudinale à la figure 2 Comme cela apparaît notamment à la figure 3, il s'agit d'une machine souf- flante radiale avec un carter en spirale 30 Comme cela apparaît en outre à la figure 2, la machine souf- flante 3 se compose de trois étages de soufflante 33, 36, 39 en série Chacun des étages est réalisé comme cela apparaît à la coupe transversale à la figure 3. Cela signifie que le carter en spirale 30, loge un ro- tor de soufflante radiale 40 avec des pales 41, selon un montage en rotation La direction de circulation est indiquée par la flèche 42 à la figure 3 Le pre- mier étage de soufflante 33 aspire l'air frais fourni par la conduite d'aspiration 22 dans la direction de la flèche 44 à travers un orifice d'aspiration 43 de la cloison 45 du carter et accélère cet air dans la direction radiale Cela est indiqué par la flèche 46. Cet air quitte le carter en spirale 30 par une sortie de machine soufflante 49 (figure 3) Cette partie de machine soufflante 49 est alignée de manière essen- tiellement tangentielle comme cela est usuel Toute- fois, par rapport au plan de rotation 53 de la machine soufflante 40, cette sortie est telle que son axe 55 vu dans la direction de l'écoulement (flèche 42) fait un angle aigu a avec le plan de rotation 49 du rotor de soufflante 40 Cet angle converge dans la direction d'écoulement du fluide De cette manière, l'air qui sort du premier étage 33 de la machine soufflante pas- se dans une chambre de guidage d'air 52 également en forme de boîtier en spirale, comportant des éléments de guidage 54 solidaires du boîtier, en forme de pa- les, dirigés essentiellement dans la direction radiale par rapport à l'axe de rotation du rotor de la machine soufflante, pour arriver dans un orifice de passage 56 prévu dans la cloison 57 du boîtier 30, et débouchant dans la zone centrale d'un second carter en spirale 58 logeant un second rotor de machine soufflante 60 Le rotor 60 correspond au rotor 40 à la figure 3 De plus, le second carter en spirale 58 correspond tota- lement au premier carter en spirale 30 A ce niveau, l'air est de nouveau accéléré par le second rotor 60 pour arriver dans la direction de la flèche 62 (figure 2) à la sortie 64 du second étage 36 et pour y débou- cher dans une seconde chambre de guidage 66 Cette se- conde chambre de guidage 66 est réalisée comme la pre- mière chambre de guidage également en forme de carter en spirale. L'air qui pénètre dans ces chambres de gui- dage d'air (comme cela est indiqué schématiquement par les flèches 50 à la figure 4) suit le flux d'air de la paroi intérieure en spirale 51 Le montage particulier des éléments de guidage en forme de pales 54 (figure 4) et qui sont essentiellement concentriques aux ori- fices de passage 56 et positionnés de manière radiale par rapport à ces orifices, on obtient pour une même longueur de pale que l'extrémité extérieure des pales de guidage 54 se trouve à une distance 66 de la paroi intérieure en spirale 51 qui varie en partant de l'o- rifice de sortie de la machine soufflante 49 dans la direction de l'écoulement (flèche 50) de l'air pour passer de la valeur maximale à la valeur zéro Cela est indiqué à la figure 4 par la pale de guidage, com- plémentaire portant la référence 59; son extrémité extérieure est reliée à la cloison en spirale 51 Les flèches portant la référence 68 à la figure 4, mon- trent que l'air qui pénètre dans les chambres de gui- dage d'air 52 est décomposé en des flux partiels dont le nombre correspond au nombre de pales 54 Dans l'exemple de réalisation, il est clair que toute modi- fication de la distance 66 entre l'extrémité extérieu- re des pales 54 et la paroi intérieure en spirale 51 se fait de manière régulière jusqu'à ce que la direc- tion d'écoulement (flèche 50) passe de la valeur maxi- male par rapport aux pales 55 jusqu'à la valeur nulle. De plus, la figure 4 montre que les pales des gaz 54 sont courbées dans la direction opposée à celle de l'air qui arrive et que les surfaces d'attaque 70, font avec la paroi intérieure en spirale 51 du carter de guidage 52, un angle obtus 8 La figure 4 montre en outre que l'extrémité intérieure des pales de guidage 54 arrive jusqu'à proximité de l'orifice de passage 56. La description précédente laisse apparaître clairement que la machine soufflante radiale 33 et sa chambre de guidage d'air 52, constitue un ensemble ou module auquel sont raccordés d'autres modules 36, 66 de même forme Lorsque l'air accéléré passe ainsi de la seconde sortie de machine soufflante 64 dans la se- conde chambre de guidage d'air 66, elle y est déviée vers l'intérieur jusqu'à arriver au niveau de l'autre orifice de passage 56 et de là, l'air passe dans la troisième machine soufflante 39 Cette machine souf- flante 39 complète l'accélération ou la compression de l'air Puis l'air quitte la troisième machine souf- flante 39, de manière connue en soi, dans la direction tangentielle et pénètre dans la conduite de pression 26 Le troisième étage de machine soufflante selon le présent exemple de réalisation n'est suivi d'aucune chambre de guidage d'air, car la sortie de l'air cor- respond à la machine soufflante radiale 20 Le passage de l'étage de soufflante 39 dans la conduite de pres- sion 26, se fait ainsi de préférence dans le plan de rotation du rotor 72 du troisième étage de soufflante 39 Les trois rotors de machine soufflante 40, 60, 72 de cet exemple de réalisation, sont montés solidaire- ment en rotation sur un arbre 74, commun, entraîné par un moteur électrique non représenté Cet arbre peut être le prolongement de l'arbre d'induit du moteur électrique. Pendant le fonctionnement de la machine soufflante radiale, l'air sort de la conduite d'aspi- ration 22 selon la flèche 44 pour passer dans le pre- mier étage 33 de la machine soufflante radiale 20. L'arbre 74 tourne dans la direction de la flèche 76. L'air d'arrivée passe suivant les flèches 46, 48 dans le second étage 36 de la machine soufflante et de là, suivant les flèches 62, l'air passe dans le troisième étage 39 en suivant la flèche 76, l'air est dévié dans le troisième étage 39 pour passer dans la conduite de pression 26. il R E V E N D I C A T I O N S 1) Machine soufflante radiale pour créer un flux d'air fourni comme air secondaire à la veine de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment d'un véhicule automobile, comportant un ro- tor de soufflante tournant dans un carter en spirale et ayant une sortie de soufflante dirigée sensiblement dans la direction tangentielle, machine caractérisée en ce que la sortie de la soufflante ( 48) fait avec le plan de rotation du rotor ( 40) un angle aigu a conver- geant dans la direction d'écoulement de l'air, et dé- bouchant dans une chambre de guidage d'air dans la- quelle des éléments de guidage solidaires du boîtier ( 54, 55) dirigent l'air entrant essentiellement dans la direction radiale par rapport à un orifice de pas- sage ( 56) aligné dans la direction de l'axe de rota- tion du rotor de la machine soufflante, orifice qui débouche dans la zone centrale d'un second carter en spirale ( 30) logeant un second rotor de machine souf- flante ( 60). 2) Machine soufflante radiale selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que la chambre de guidage d'air ( 52, 66) est en forme de carter en spi- rale avec des éléments de guidage ( 54, 55) en forme de pales, disposés de manière essentiellement concentri- que par rapport à l'orifice de passage ( 56) et de ma- nière radiale par rapport à celui-ci, et en ce que l'extrémité extérieure des pales de guidage ( 54, 55) est éloignée d'une distance ( 66) de la paroi intérieu- re en spirale ( 51) qui, partant de l'embouchure de la sortie de la machine soufflante ( 48, 62), varie dans la direction de l'écoulement (flèche 50) de l'air pour passer d'une valeur maximale à la valeur nulle. 3) Machine soufflante radiale selon la re- vendication 2, caractérisée en ce que les pales de guidage ( 54, 55) de l'air d'arrivée sont courbées de manière opposée et les surfaces d'attaque ( 70) font avec la paroi intérieure en spirale ( 51) du carter de guidage d'air, un angle obtus 8. 4) Machine soufflante radiale selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'ex- trémité intérieure des pales de guidage ( 54, 55) arri- ve jusqu'à proximité de l'orifice de passage ( 56). ) Machine soufflante radiale selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la distance ( 66) entre l'extrémité extérieure des pales de guidage ( 54, 55) et la paroi intérieure en spirale ( 51) varie de manière régulière. 6) Machine soufflante radiale selon l'une des revendication 1 à 5, caractérisée en ce que la ma- chine soufflante radiale ( 33) ainsi que la chambre de guidage d'air ( 52) constituent un module recevant en aval un module ( 36, 66) réalisé de manière correspon- dante. 7) Machine soufflante radiale selon la re- vendication 6, caractérisée en ce que la machine souf- flante ( 20) comprend au moins deux modules suivis d'un étage de machine soufflante ( 39), en aval selon la di- rection d'écoulement de l'air et dont le carter en spirale comporte un orifice de sortie relié au collec- teur de gaz d'échappement ( 12) du moteur à combustion interne ( 10). 8) Machine soufflante radiale selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la machine soufflante ( 20) est reliée à un moteur élec- trique. 9) Machine soufflante radiale selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la conduite de pression ( 26) reliant la machine soufflan- te ( 20) au collecteur de gaz d'échappement ( 12) est munie d'un élément d'obturation ( 28) de préférence d'un clapet anti-retour. ) Machine soufflante radiale selon l'une des revendications 1 à 9, -caractérisée en ce que la conduite de pression ( 26) débouche dans la conduite des gaz d'échappement ( 12) en amont d'un catalyseur ( 14) dans la direction d'écoulement des gaz d'échappe- ment.