Brevet FR2704022A1 — publié le 19941021

L'invention concerne un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement pour un moteur à com- bustion interne suralimenté avec recyclage des gaz d'échappement, le turbocompresseur comprenant une turbine et un premier compresseur, les roues de la turbine et de compresseur étant reliées à un arbre commun et une cana- lisation de gaz de raccordement étant disposée entre le côté admission de la turbine et le côté refoulement du premier compresseur, canalisation qui contient au moins une vanne de commande et un dispositif de transport de gaz pour transporter du gaz entre le côté admission de la turbine et le côté refoulement du premier compresseur. On connaît déjà un turbocompresseur de ce type pour un moteur à combustion interne suralimenté par le document DE-OS 29 01 041. Ce turbocompresseur possède une turbine et un compresseur, avec disposition dans le car- ter de turbine, dans la zone du plan de révolution du côté arrière de la roue de turbine, d'une chambre annu- laire présentant une liaison fluidique menant au canal en spirale de la turbine. De la chambre annulaire part une conduite de liaison dans laquelle est placée une vanne de commande et qui est raccordée à une conduite d'air d'ali- mentation menant du côté refoulement du compresseur au côté admission du moteur à combustion interne. Pour ce qui concerne l'arrière-plan général de l'invention, on peut se reporter également aux documents DE-OS 25 41 156, DE-PS 30 19 607, DE-OS 31 28 040, DE-PS 04 465 ainsi qu'au brevet des Etats Unis d'Amérique 4 367 626. Le but de l'invention est de réaliser un turbo- compresseur, du type générique indiqué, par une construc- tion simple et économique, de manière qu'un recyclage de gaz d'échappement soit déjà possible à de très basses pressions de gaz d'échappement sur le côté admission de la turbine. Selon l'invention, on obtient ce résultat par le fait que le dispositif de transport de gaz comprend, pour le recyclage sélectif, pouvant être commandé par des vannes de commande, d'air de suralimentation vers le côté admission de la turbine ou de gaz d'échappement dans le canal collecteur du premier compresseur: - un second compresseur possédant une roue de compresseur, un côté aspiration et un canal collecteur, - une conduite de liaison entre le canal collecteur du premier compresseur et le côté admission du second compresseur, - une canalisation de gaz de raccordement plus une vanne de commande entre le canal collecteur du second compresseur et le côté admission de la turbine, - une canalisation de gaz de raccordement plus une vanne de commande entre le côté aspiration du second compresseur et le côté admission de la turbine et - une conduite menant du canal collecteur du premier compresseur au canal collecteur du second compresseur. Un avantage de l' agencement selon l'invention du turbocompresseur est que, en raison de la présence du dispositif de transport de gaz, si l'on veut obtenir un recyclage de gaz d'échappement, il n'est plus nécessaire, fonctionnellement, que la pression du gaz d'échappement sur le côté admission de la turbine soit plus élevée que la pression de l'air de suralimentation dans la conduite d'air d'alimentation. Selon un mode de réalisation particulièrement préféré, en raison de sa simplicité et sa flexibilité, le dispositif de transport de gaz comprend un second com- presseur possédant une roue de compresseur montée sur l'arbre commun, un canal collecteur, un canal diffuseur et un côté aspiration. On obtient une structure particulièrement com- pacte du turbocompresseur selon l'invention lorsqu'une première partie de la canalisation de gaz de raccordement débouche sur le côté aspiration du second compresseur, le canal diffuseur du second compresseur débouche dans le canal collecteur du premier compresseur, une couronne di- rectrice est placée dans le canal diffuseur du second compresseur et ce dernier est disposé sur le côté arrière de la roue du premier compresseur. On obtient des avantages pour la construction lorsque le canal collecteur du second compresseur dé- bouche dans une partie de la canalisation de gaz de rac- cordement reliée à la conduite d'air d'alimentation du moteur, le côté aspiration du second compresseur est re- lié par une partie de la canalisation de gaz de raccorde- ment au côté admission de la turbine, partie qui contient une vanne de commande, et lorsque le second compresseur est disposé sur le côté arrière de la roue de turbine. En effet, la turbine mue par les gaz d'échappement et le dispositif de transpoort de gaz, réalisé comme un com- presseur de gaz d'échappement, peuvent dans ce cas être montés directement l'un à côté de l'autre sur l'arbre du turbocompresseur, de sorte que le côté gaz chaud est sé- paré du côté de l'air de suralimentation du turbocompresseur. Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, le canal collecteur du second compresseur est relié à la partie de la canalisation de gaz de rac- cordement reliée au côté admission de la turbine et le canal collecteur du premier compresseur et le côté aspi- ration du second compresseur sont reliés entre eux par une conduite de liaison. Avec ce mode de réalisation, le dispositif de transport de gaz est utilisé comme une pompe à air de suralimentation, de sorte que de l'air de suralimentation est transporté depuis le côté refoulement du compresseur dans la conduite de gaz d'échappement du moteur, par exemple en vue d'une amenée d'air - néces- saire pour des motifs stoechiométriques - à un catalyseur. Selon encore un autre mode de réalisation avan- tageux de l'invention, une conduite partant de ladite partie de la canalisation de gaz de raccordement, mène au côté aspiration du second compresseur et le canal collec- teur de ce dernier est relié par une autre conduite au canal collecteur du premier compresseur, les deux conduites présentant au moins une vanne de commande sus- ceptible d'être commandée par les paramètres de fonction- nement du moteur. Ainsi, suivant les conditions de fonc- tionnement du moteur, le dispositif de transport de gaz est utilisable au choix comme une pompe à gaz d'échappe- ment ou comme une pompe à air de suralimentation. Selon encore un autre mode de réalisation, le dispositif de transport de gaz comprend une chambre annu- laire agencée dans le carter de compresseur et présentant une paroi perforée à travers de laquelle du gaz d'échap- pement peut être soufflé dans un canal diffuseur du com- presseur faisant directement suite à la périphérie côté refoulement du compresseur et dans lequel la pression statique est seulement de peu supérieure à la pression régnant à la périphérie côté refoulement de la roue de compresseur, le transport de gaz s'effectuant sous l'ef- fet de la différence de pression depuis le côté admission de la turbine vers le canal diffuseur du compresseur. Dans ce cas, le dispositif de transport de gaz est formé par la chambre annulaire prévue selon l'invention, ainsi que la paroi perforée, dispositif qui exploite le niveau de pression statique relativement bas de l'air de surali- mentation directement en aval de la périphérie côté re- foulement de la roue de compresseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schéma- tique d'un moteur à combustion interne suralimenté avec un turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'inven- tion, comportant un dispositif de transport de gaz réa- lisé comme un compresseur de gaz d'échappement; - la figure 2 montre un exemple de construction du turbocompresseur avec compresseur de gaz d'échappement selon la figure 1, dans lequel le compresseur de gaz d'échappement est disposé sur le côté arrière de la roue d'un compresseur du turbocompresseur, et dans lequel le côté aspiration du compresseur de gaz d'échappement est relié par une canalisation de gaz de raccordement au côté admission d'une turbine du turbocompresseur; - la figure 3 montre un exemple de construc- tion du dispositif de transport de gaz comprenant une chambre annulaire munie d'une paroi perforée, chambre qui est reliée au côté admission d'une turbine par la canali- sation de gaz de raccordement et débouche à la périphérie côté refoulement de la roue du compresseur du turbocom- presseur; - la figure 4 montre un mode de réalisation de l'invention comprenant un second compresseur réalisé comme une pompe à air de suralimentation et par lequel de l'air de suralimentation peut être transporté dans la conduite de gaz d'échappement; - la figure 5 est une représentation schéma- tique d'un autre mode de réalisation de l'invention, avec un compresseur de gaz d'échappement disposé sur le côté de la turbine du turbocompresseur et renvoyant du gaz d'échappement dans la conduite d'air d'alimentation; et - la figure 6 est un exemple de construction de l'agencement du turbocompresseur et du compresseur de gaz d'échappement selon la figure 5. La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne suralimenté 1 qui est relié par une conduite d'air d'alimentation 2 et une conduite de gaz d'échappement 3 à un turbocompresseur à gaz d'échappement 4 d'une manière dont le principe est connu. Les figures 1 à 6 utilisent les mêmes références pour des composants identiques. Le turbocompresseur 4 possède une turbine 5 et un compresseur 6; une première partie 8a d'une canalisa- tion de gaz de raccordement 8, contenant une vanne de commande 9, relie le côté admission 7 de la turbine 5 au côté aspiration 10 d'un compresseur de gaz d'échappement 11 (second compresseur). Ce dernier se trouve à côté du compresseur 6 sur l'arbre commun et l'agencement est tel qu'un canal diffuseur 12 du compresseur de gaz d'échappe- ment 11 débouche dans un canal collecteur 13 du compres- seur 6. La liaison fluidique entre le côté aspiration 10 du compresseur 11 et le canal collecteur 13 du compresseur 6, constitue en même temps la deuxième partie 8b de la canalisation de gaz de raccordement 8 entre le côté admission 7 de la turbine 5 et le côté refoulement 34 du compresseur 6. La vanne de commande 9 est pilotée par un régu- lateur 14 en dépendance de paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne 1 et du turbocompresseur 4. La figure 2 montre un exemple de construction du turbocompresseur 4 selon la figure 1. La turbine 5 comprend un carter de turbine 15 et une roue de turbine 16, tandis que le compresseur 6 comprend un carter de compresseur 17 et une roue de compresseur 18 dont le côté arrière est désigné par 19. Le carter de turbine 15 et le carter de compresseur 17 sont bridés à un carter à pa- liers 20 du turbocompresseur 4. La roue de turbine 16 et la roue de compresseur 18 sont montées sur un arbre com- mun 21 dont l'axe est désigné par 37 et qui est monté ro- tatif dans des paliers 22 et 23. Une roue 24 du compresseur de gaz d'échappement 11, formant un dispositif de transport de gaz 33, est ca- lée sur l'arbre 21 sur le côté arrière 19 de la roue 18 du compresseur 6. Une partie 25, dirigée vers le carter à paliers , du carter de compresseur 17 - divisé - est traversée d'un perçage 26 menant au côté aspiration 10 du compresseur de gaz d'échappement 11. L'autre côté du perçage 26 débouche dans la première partie 8a de la canalisation de gaz de raccordement 8, contenant la vanne de commande 9 et reliée à travers un orifice 27 au côté admission 7 de la turbine 5. Le canal diffuseur 12 du compresseur de gaz d'échappement 11 débouche directement dans le canal col- lecteur 13 (côté refoulement 34) du compresseur 6. Dans ce canal diffuseur 12 est placée une couronne directrice portant des aubes directrices 29 et comportant les parties 30 et 31. La partie 30 de la couronne directrice est reliée rigidement à la partie 25 du carter de compresseur. La partie de couronne 31 est portée par les aubes directrices 29 et forme une paroi d'un canal diffuseur 32 du compresseur 6 en amont du canal collec- teur 13 de celui-ci. La figure 3 représente un autre mode de réali- sation du dispositif de transport de gaz 33. Dans la par- tie 25 du carter de compresseur, est agencée une chambre annulaire 35 possédant une paroi perforée 36 avec des perforations 38 réparties sur le pourtour et dirigées obliquement vers l'extérieur par rapport à l'axe 37 de l'arbre, à travers desquelles du gaz d'échappement peut être insufflé dans le canal diffuseur 32, faisant direc- tement suite à la périphérie 39 côté refoulement de la roue du compresseur 6. La chambre annulaire 35 présente un orifice 40 dans lequel débouche la canalisation de gaz de raccorde- ment 8. Comme dans l'exemple de la figure 2, cette ca- nalisation est reliée au côté admission 7 de la turbine 5. La conversion de l'énergie cinétique de l'air de suralimentation côté aspiration en énergie de pression statique côté refoulement 34 du compresseur 6, s'effectue partiellement, ainsi que cela est connu, dans la roue de compresseur 18 - qui peut être considérée comme un diffuseur tournant -, partiellement dans le canal diffuseur 32 et en faible mesure dans le canal collecteur 13 en spirale, ce qui est décrit par ce que l'on appelle le degré de réaction. Selon l'invention, ce degré de réaction est notamment compris entre 0,3 et 0,7. En cas d'utilisation de compresseurs ayant un degré de réaction relativement petit, de 0,5 par exemple, l'énergie cinétique de l'air de suralimentation à la périphérie 39 de la roue de compresseur 18 est seulement convertie pour moitié en énergie de pression statique. Dans le canal diffuseur 32, immédiatement en aval de la périphérie 39 de la roue 18, pour une vitesse d'écoulement relativement élevée de l'air de suralimenta- tion, la pression statique de cet air est seulement de peu supérieure à la pression régnant directement sur la périphérie 39. En raison de cette pression statique rela- tivement basse, une différence de pression existe dans la plupart des cas entre le côté admission 7 de la turbine 5 et la périphérie 39 côté refoulement de la roue de com- presseur 18, de sorte que du gaz d'échappement s'écoule depuis le côté admission 7 de la turbine 5 vers le canal diffuseur 32 du compresseur 6 en passant par la canalisa- tion de gaz de raccordement 8, la chambre annulaire 35 et les perforations 38. La figure 4 représente un exemple de réalisa- tion de l'invention comprenant un second compresseur 41 réalisé comme une pompe à air de suralimentation. Par son côté aspiration 42, le compresseur 41 est relié à une conduite de liaison 43 menant jusque dans le canal collecteur 13 (côté refoulement 34) du com- presseur 6. Un canal collecteur 44 du compresseur 41 pos- sède un orifice de sortie 45 débouchant dans une partie 8d de la canalisation de gaz de raccordement 8, reliée à l'orifice 27 sur le côté admission 7 de la turbine 5. Un canal diffuseur 56 mène du canal collecteur 44 vers la roue 57 du second compresseur 41. La canalisation de re- cyclage de gaz d'échappement 8d contient une vanne de commande 46 qui est réglable en dépendance de paramètres de fonctionnement du moteur 1 et du turbocompresseur 4. Dans un autre mode de réalisation de l'inven- tion, qui n'est pas représenté, mais est basé sur celui de la figure 4, la partie 8d de la canalisation de gaz de raccordement est reliée par une conduite au côté aspira- tion 42 du compresseur 41 et une conduite supplémentaire relie le canal collecteur 44 au canal collecteur 13 du compresseur 6, avec disposition, dans chacune de ces deux conduites, d'une vanne de commande pouvant être pilotée par des paramètres de fonctionnement du moteur 1. Grâce à cette disposition, le compresseur 41 est utilisable, au choix, en tant que dispositif de transport de gaz 33 pour introduire de l'air de suralimentation dans la conduite de gaz d'échappement 3 ou pour introduire du gaz d'échap- pement dans la conduite d'air d'alimentation 2. Un effet avantageux de l'amenée d'air de suralimentation dans la conduite de gaz d'échappement 3, est obtenu par exemple lorsque, pour des motifs stoechiométriques, une amenée d'air est nécessaire pour un catalyseur contenu dans la tuyauterie d'échappement. La figure 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention, avec un compresseur de gaz d'échappement 47 disposé sur le côté arrière 52 de la roue de la turbine 5 du turbocompresseur 4 et par lequel du gaz d'échappement est renvoyé dans la conduite d'air d'alimentation 2. Comme dans l'exemple selon la figure 4, le compresseur de gaz d'échappement 47 possède une roue 48, un côté aspiration 49 et un canal collecteur côté refoulement. De la conduite de gaz d'échappement 3, est de- rivée une partie 8c de la canalisation de gaz de raccordement, partie qui est reliée au côté aspiration 49 du compresseur de gaz d'échappement 47. La partie 8d de cette canalisation va du canal collecteur 50 vers la conduite d'air d'alimentation 2, dans laquelle elle débouche de préférence en aval d'un refroidisseur d'air de suralimentation 51 installé dans la conduite 2. La figure 6 montre un exemple de construction du turbocompresseur 4 représenté schématiquement sur la figure 5. Le compresseur de gaz d'échappement 47 est dis- posé sur le côté arrière 52 de la roue de turbine 16. La roue de compresseur 48 est calée sur l'arbre 21. La par- tie 8c de la canalisation de gaz de raccordement mène de- puis un orifice 53 - prévu dans une partie 54 faisant suite au côté admission 7 d'un canal en spirale 55 de la turbine 5 - jusqu'au côté aspiration 49 du compresseur de gaz d'échappement 47. Le canal collecteur 50 débouche dans la partie 8d de la canalisation de gaz de raccorde- ment, laquelle mène selon la figure 5 à la conduite d'air d'alimentation 2. REVENDICATIONS 1. Turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne surali- menté avec recyclage des gaz d'échappement, le turbocom- presseur comprenant une turbine et un premier compres- seur, les roues de la turbine et de ce compresseur étant reliées à un arbre commun et une canalisation de gaz de raccordement étant disposée entre le côté admission de la turbine et le côté refoulement du premier compresseur, canalisation qui contient au moins une vanne de commande et un dispositif de transport de gaz pour transporter du gaz entre le côté admission de la turbine et le côté re- foulement du premier compresseur, caractérisé en ce que le dispositif de transport de gaz (33) comprend, pour le recyclage sélectif, pouvant être commandé par des vannes de commande (9, 46), d'air de suralimentation vers le côté admission (7) de la turbine 5) ou de gaz d'échappe- ment dans le canal collecteur (13) du premier compresseur (6): - un second compresseur (11, 41) possédant une roue de compresseur (24, 48), un côté aspiration (10, 42) et un canal collecteur (44), - une conduite de liaison (43) entre le canal collecteur (13) du premier compresseur et le côté admission (42) du second compresseur, - une canalisation de gaz de raccordement (8d) plus une vanne de commande (46) entre le canal collecteur (44) du second compresseur et le côté admission (7) de la turbine (5), - une canalisation de gaz de raccordement (8) plus une vanne de commande (9) entre le côté aspiration (10, 42) du second compresseur et le côté admission (7) de la tur- bine (5) et - une conduite menant du canal collecteur (13) du pre- mier compresseur (6) au canal collecteur (44) du second compresseur (11, 41). 2. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les vannes de commande (9, 46) sont réglables par un régulateur (19) en dépendance de paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne (1) et du turbocompresseur à gaz d'échappement (4). 3. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second com- presseur (11, 41) est disposé sur le côté arrière (19) de la roue (18) du premier compresseur (6). 4. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second com- presseur (11, 41) est disposé sur le côté arrière (52) de la roue (16) de la turbine. 5. Turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne surali- menté avec recyclage des gaz d'échappement, le turbocom- presseur comprenant une turbine et un premier compres- seur, les roues de la turbine et de ce compresseur étant reliées à un arbre commun et une canalisation de gaz de raccordement étant disposée entre le côté admission de la turbine et le côté refoulement du premier compresseur, canalisation qui contient au moins une vanne de commande et un dispositif de transport de gaz pour transporter du gaz entre le côté admission de la turbine et le côté re- foulement du premier compresseur, caractérisé en ce que le dispositif de transport de gaz (33) comporte une cana- lisation de gaz de raccordement (8) qui mène du côté ad- mission (7) de la turbine (5) à une chambre annulaire (35) agencée dans le carter (17) du premier compresseur (6), chambre qui possède une ouverture à travers de la- quelle du gaz d'échappement peut être soufflé, immédiate- ment en aval de la périphérie (39) côté refoulement de la roue, dans un tronçon d'un canal diffuseur (32), dans le- quel la pression statique n'est que de peu supérieure à la pression régnant à la périphérie (39) côté refoulement de la roue de compresseur. 6. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une paroi perfo- rée (36) est disposée entre la chambre annulaire (35) et le canal diffuseur (32) du premier compresseur (6), paroi qui présente des perforations (38) réparties sur le pour- tour et dirigées obliquement vers l'extérieur par rapport à la direction de l'axe (37) de l'arbre (21), à travers desquelles le gaz d'échappement peut être soufflé dans le canal diffuseur (32) faisant directement suite à la péri- phérie (39) côté refoulement de la roue du premier com- presseur (6). 7. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier com- presseur (6) présente un degré de réaction de 0,3 - 0,7.