Brevet FR2744763A1 — publié le 19970814

TURBOCOMPRESSEUR ENTRAINE PAR LES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne les turbocompresseurs entrainés par les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement les carters de turbine de turbocompresseurs. Classiquement, un turbocompresseur équipant un moteur à combustion interne se compose de deux turbomachines, l'une motrice (la turbine à gaz) et l'autre réceptrice (le compresseur d'air), qui sont raccordées à des extrémités opposées d'un arbre commun. Les gaz d'échappement du moteur à combustion interne, ou au moins une partie de ces gaz, sont envoyés à la turbine, de sorte que l'énergie des gaz entraîne en rotation l'arbre commun et donc la roue du compresseur, ce qui provoque une aspiration et une compression de l'air ambiant qui est ensuite envoyé dans le collecteur d'admission du moteur à combustion interne. Cet agencement d'une turbine et d'un compresseur est bien connu et est analogue à un compresseur de suralimentation, hormis que dans le cas de ce dernier, le compresseur est entraîné en rotation par une liaison mécanique directe avec le vilebrequin. La turbine du turbocompresseur, généralement centripète, se compose d'une volute d'entrée en forme de spirale, qui répartit radialement les gaz d'échappement autour d'une roue à ailettes, et d'un orifice de sortie de forme cylindrique qui récupère les gaz dans l'axe de la roue. La partie fixe de la turbine est constituée d'un carter contenant les conduits d'entrée et de sortie venus de fonderie. L'entrée des gaz, s'étendant perpendiculairement à l'axe de rotation de la roue, comprend une bride de fixation destinée à être boulonnée en sortie du collecteur d'échappement, tandis que l'orifice de sortie, s'étendant dans le prolongement de l'axe de rotation de la roue, comprend une bride prévue pour le raccordement au tube d'échappement du véhicule. L'emploi d'un turbocompresseur offre de nombreux avantages notamment en ce qu'il améliore le remplissage du moteur à combustion interne en augmentant la densité de l'air et permet donc d'allonger les rapports de boite de vitesses et de baisser la cylindrée du moteur pour une puissance donnée. Toutefois, l'emploi d'un turbocompresseur présente également un certain nombre d'inconvénients et notamment celui de ralentir la montée en température du pot catalytique s'étendant sur la ligne d'échappement, en sortie de turbine. En effet, d'une façon générale les normes concernant la pollution des véhicules automobiles équipés de moteurs à combustion interne se sévérisent chaque jour davantage dans l'ensemble des pays industrialisés. L'industrie automobile qui est donc aujourd'hui toute entière mobilisée à trouver des solutions techniques pour répondre à ces contraintes, a adopté l'utilisation de dispositifs d'échappement traitant par conversion catalytique les composants nocifs des gaz d'échappement. Ces dispositifs d'épuration, encore appelés pots catalytiques, permettent l'oxydation des hydrocarbures imbrûlés HC et du monoxyde de carbone CO ainsi que la réduction des oxydes d'azote NOx. Ces réactions sont toutes fortement accélérées par la présence de catalyseur de sorte qu'elles peuvent s'accomplir pendant le bref temps de passage des gaz d'échappement à travers le pot. Toutefois, la conversion catalytique des polluants ne peut s'opérer que lorsque le catalyseur a atteint une température suffisante, en générale supérieure à 300OC. I1 en résulte que, notamment lors du démarrage à froid d'un moteur, la température des gaz d'échappement n'est pas suffisante pour amorcer les réactions chimiques, il s'ensuit donc une phase plus ou moins longue pendant laquelle les polluants émis par le moteur ne sont pas ou insuffisamment traités. On peut ainsi estimer que 75 à 80% des polluants sont émis pendant les deux premières minutes de fonctionnement du moteur. I1 en résulte donc que la présence d'une turbine sur le trajet des gaz d'échappement en amont du pot catalytique, qui a pour effet d'augmenter sensiblement les pertes thermiques subis par les gaz d'échappement avant leur entrée dans le pot catalytique du fait de l'allongement du trajet parcouru par les gaz d'échappement et du fait de la puissance fournie à la turbine, rallonge le temps d'amorçage du catalyseur et augmente par conséquent les émissions de polluants. La présente invention a donc pour objet de remédier aux inconvénients précités en proposant un nouveau type de turbocompresseurs et plus particulièrement de carter de turbine limitant les pertes thermiques des gaz d'échappement lors de la phase d'amorçage du catalyseur, ce turbocompresseur étant tout à la fois de conception simple et de réalisation économique. Le turbocompresseur pour moteur à combustion interne selon l'invention comprend une turbine centripète entraînée par les gaz d'échappement du moteur, la turbine comportant un carter destiné à recevoir une roue à ailettes montée libre en rotation. Ce carter possède un orifice d'entrée des gaz d'échappement destiné à être raccordé au collecteur d'échappement du moteur et s'étendant perpendiculairement à l'axe de rotation de la roue, un conduit d'admission prolongé par un passage incurvé ménagé à l'intérieur du carter et débouchant sur le pourtour de la roue de façon à diriger les gaz d'échappement radialement vers le centre de la roue de manière à entraîner cette dernière en rotation, un second passage intérieur recueillant les gaz d'échappement à la sortie de la roue et un conduit d'évacuation dont l'orifice de sortie est destiné à être raccordé à la ligne d'échappement du moteur. Selon l'invention, le turbocompresseur pour moteur à combustion interne est caractérisé en ce que le second passage est incurvé de sorte que l'orifice de sortie des gaz d'échappement s'étend perpendiculairement à l'axe de rotation de la roue. Selon une autre caractéristique du turbocompresseur pour moteur à combustion interne objet de l'invention, l'orifice de sortie des gaz d'échappement est disposé à proximité de l'orifice d'entrée des gaz d'échappement sensiblement dans un même plan transversal par rapport à l'axe de la roue de turbine. Selon une autre caractéristique du turbocompresseur pour moteur à combustion interne objet de l'invention, l'orifice de sortie des gaz d'échappement est disposé sensiblement dans le prolongement de l'orifice d'entrée des gaz d'échappement. Selon une autre caractéristique du turbocompresseur pour moteur à combustion interne objet de l'invention, le carter de turbine comprend un conduit de dérivation reliant l'entrée du conduit d'admission à la sortie du conduit d'évacuation. Selon une autre caractéristique du turbocompresseur pour moteur à combustion interne objet de l'invention, le conduit de dérivation est sensiblement droit et de longueur restreinte. Selon une autre caractéristique du turbocompresseur pour moteur à combustion interne objet de l'invention, le conduit de dérivation coopère avec des moyens obturateurs pilotés. Selon une autre caractéristique du turbocompresseur pour moteur à combustion interne objet de l'invention, les moyens obturateurs pilotés sont ouverts lors du démarrage du moteur. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, ce mode étant présenté à titre d'exemple non limitatif en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un carter de turbine de turbocompresseur selon la présente invention - la figure 2 est une vue de face du carter de turbine présenté à la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne A-A de la figure 2. Conformément aux dessins annexés, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. De plus, pour faciliter la lecture de ces dessins, les mêmes pièces portent les mêmes références d'une figure à l'autre. En se référant aux figures 1 à 3, on a montré le carter de turbine référencé 1, d'un turbocompresseur pour moteur à combustion interne. Ce turbocompresseur dont seul le carter turbine a été représenté est classiquement composé de trois parties : une turbine centripète qui capte l'énergie des gaz d'échappement, un carter central qui porte les paliers de l'arbre portant les roues de turbine et de compresseur et un compresseur centrifuge qui suralimente le moteur. La turbine centripète se compose d'une volute d'entrée en forme de spirale, qui distribue les gaz d'échappement autour d'une roue à ailettes, les gaz d'échappement s'échappant ensuite au centre de la roue. La partie mobile de la turbine est donc constituée d'une pièce de révolution ou roue de turbine 15 présentant des aubes ou ailettes de profils adaptés de sorte que la résultante des forces exercées par le flux des gaz d'échappement détermine un couple moteur sur l'axe de la roue. La partie fixe de la turbine 15 est donc constituée par un carter 1 venant de fonderie, formé d'une seule ou de plusieurs parties réunies, et contenant les conduits d'entrée et de sortie des gaz d'échappement ainsi que le logement de la roue de turbine. Ce carter 1 est réalisé en matériaux aptes à résister aux hautes températures telle qu'une fonte réfractaire à base de nickel. Le carter de turbine 1 est donc destiné à venir se fixer à l'une des extrémités axiales du carter central non figuré, par une face d'accouplement adaptée 9 et une bride à oreilles. Ce carter 1 comprend un conduit d'admission 2 qui reçoit par un orifice d'entrée 20 les gaz d'échappement provenant du collecteur d'échappement du moteur à combustion interne et qui s'étend sensiblement radialement à l'axe de rotation de la roue de turbine 15. L'entrée des gaz comprend une bride carrée 3 destinée donc à être boulonnée en sortie du collecteur d'échappement du moteur. Le conduit 2 se prolonge à l'intérieur du carter 1 sous la forme d'un passage incurvé en spirale 4 encore appelé volute venant entourer la roue à ailette 15 de la turbine montée libre en rotation dans un logement correspondant 5, ce passage incurvé 4 communique avec la périphérie de la roue de turbine 15 à travers un passage d'alimentation périphérique 6. Le passage 4 présente classiquement une surface en section transversale sensiblement circulaire qui décroît au fur et à mesure qu'on s'éloigne de l'orifice d'entrée 20. Le logement 5 de la turbine débouche à son extrémité axiale opposée à la face d'accouplement 9 dans un second passage intérieur 7 du carter 1. Ce passage 7 qui recueille les gaz d'échappement à la sortie de la roue de turbine se prolonge en un conduit d'évacuation 10 des gaz d'échappement dont l'orifice de sortie 21 est entouré par une bride adaptée 11 destinée à être boulonnée à l'entrée de la ligne d'échappement du moteur non figurée. Ce second passage 7 est incurvé de sorte que le conduit d'évacuation 10 des gaz d'échappement hors de la turbine débouche radialement par rapport à l'axe de rotation de la roue de turbine 15, sensiblement dans le même plan transversal que le conduit d'admission 2. Cette disposition permet d'inclure la turbine dans l'écoulement des gaz d'échappement en limitant au maximum l'allongement du trajet parcouru par les gaz d'échappement et donc les pertes thermique de ces derniers. Grâce à ce carter 1 de turbine selon l'invention qui présente des orifices d'entrée 20 et de sortie 21 des gaz d'échappement s'étendant sensiblement dans le prolongement l'un de l'autre et à proximité l'un de l'autre, il est possible de disposer un pot catalytique sur la ligne d'échappement du moteur à une distance relativement proche de la culasse du moteur et de la sortie des chambres de combustion (à moins de 600 mm) et donc d'avoir un temps d'amorçage du catalyseur très court. Le carter 1 intègre par ailleurs, un circuit de dérivation commandée par un dispositif obturateur piloté encore appelé "wastegate". Ce circuit de dérivation se compose donc d'un conduit 12 sensiblement droit, reliant l'entrée du conduit d'admission 2 à la sortie du conduit d'échappement 10. Le passage des gaz à travers ce conduit 12 est commandé par un dispositif obturateur 13 (soupape, clapet,...) logé dans un corps guide 14 correspondant, ce dispositif obturateur étant piloté suivant la valeur de la pression de suralimentation désirée ainsi que les conditions de fonctionnement du moteur. Le dispositif obturateur 13 est actionné par des moyens de manoeuvre non figurés, telles que des tiges et des biellettes, associés à un système d'entraînement piloté également non figuré, telle qu'une capsule manométrique dont le poumon solidaire des moyens de manoeuvre est par exemple attiré à l'encontre d'un ressort de rappel par une source de dépression ou de pression. Cette dépression ou cette pression est ajustée par une vanne électromagnétique pilotée par le calculateur électronique de contrôle moteur de façon notamment à ouvrir le circuit de dérivation dans des conditions prédéterminées de fonctionnement du moteur telles que les phases de démarrage à froid et ce, de façon à réduire encore le temps d'amorçage du catalyseur présent sur la ligne d'échappement en aval de la turbine, en réduisant au maximum le trajet des gaz d'échappement et donc leurs pertes thermiques. Bien évidemment la présente invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et tout autre type d'actuateur (électrique, électromagnétique, hydraulique, etc.) peut être utilisé. La disposition des orifices d'entrée 20 et de sortie 21 des gaz d'échappement à proximité l'un de l'autre et de préférence dans le prolongement l'un de l'autre, permet d'avoir un conduit de dérivation 12 très court (par exemple moins de 100 mm) et de limiter le trajet de la majeure partie des gaz d'échappement transitant à travers la turbine à la seule traversée du conduit de dérivation 12. I1 en résulte que la turbine selon l'invention a un impact thermique des plus limité sur le parcours des gaz d'échappement avant leur entrée dans le pot catalytique. Une telle turbine permet donc d'envisager des applications avec turbocompresseurs dans le contexte de normes d'émission de polluants fortement sévérisées. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. Ainsi, le carter turbine 1 peut venir directement de fonderie avec le collecteur d'échappement (acier ou fonte). De même le collecteur d'échappement peut être en tôle simple ou double d'acier soudé sur le carter turbine 1. Ainsi, l'orientation des orifices d'entrée 20 et de sortie 21 l'un par rapport à l'autre peut être adaptée pour accepter les contraintes d'implantation dans le compartiment moteur. Ainsi, la présente invention est applicable à tous les types de turbines centripètes et en particulier aux turbines à géométrie variable. De même, l'invention s'applique aux turbines sans "wastegate". REVENDICATIONS [1] Turbocompresseur pour moteur à combustion interne comprenant une turbine centripète entraînée par les gaz d'échappement du moteur, ladite turbine comportant un carter (1) destiné à recevoir une roue à ailettes (15) montée libre en rotation, ledit carter (1) possédant un orifice d'entrée (20) des gaz d'échappement destiné à être raccordé au collecteur d'échappement du moteur et s'étendant perpendiculairement à l'axe de rotation de la roue (15), un conduit d'admission (2) prolongé par un passage incurvé (4) ménagé à l'intérieur du carter (1) et débouchant sur le pourtour de la roue (15) de façon à diriger les gaz d'échappement radialement vers le centre de la roue (15) de manière à entraîner cette dernière en rotation, un second passage intérieur (7) recueillant les gaz d'échappement à la sortie de la roue (15) et un conduit d'évacuation (10) dont l'orifice de sortie (21) est destiné à être raccordé à la ligne d'échappement du moteur, caractérisé en ce que ledit second passage est incurvé de sorte que ledit orifice de sortie des gaz d'échappement (21) s'étend perpendiculairement à l'axe de rotation de la roue (15). [2] Turbocompresseur pour moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit orifice de sortie (21) des gaz d'échappement est disposé à proximité dudit orifice d'entrée (20) des gaz d'échappement sensiblement dans un même plan transversal par rapport à l'axe de la roue de turbine (15). [3] Turbocompresseur pour moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit orifice de sortie (21) des gaz d'échappement est disposé sensiblement dans le prolongement dudit orifice d'entrée (20). [4] Turbocompresseur pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit carter de turbine (1) comprend un conduit de dérivation (12) reliant ledit conduit d'admission (2) audit conduit d'évacuation (10). [5] Turbocompresseur pour moteur à combustion interne selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit conduit de dérivation (12) est sensiblement droit et de longueur restreinte. [6] Turbocompresseur pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 4 à 5, caractérisé en ce que ledit conduit de dérivation (12) coopère avec des moyens obturateurs pilotés (13). [7] Turbocompresseur pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens obturateurs pilotés (13) sont ouverts lors du démarrage du moteur.