Brevet FR2756867A1 — publié le 19980612

L'invention concerne une turbine de turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne, comprenant un carter de turbine, un tiroir axial disposé axialement coulissant, pourvu d'une grille de guidage à aubes directrices et guidé dans une fente annulaire entre le carter de turbine et un guide intérieur, ainsi qu'une roue de turbine, avec agencement d'un espace annulaire radial pour établir la communication pour l'écoulement des gaz entre le carter de turbine et la roue. Le brevet allemand DE 42 32 400 Cl décrit une turbine d'échappement du type indiqué ci-dessus, utilisable notamment dans les turbocompresseurs pour moteurs de véhicules automobiles, qui est réglable, ensemble avec le flux de gaz d'échappement, en fonction du régime du moteur à combustion interne par la grille de guidage avec les aubes directrices. C'est ainsi que la grille occupe par exemple une position avancée, dans laquelle les aubes directrices sont situées dans l'espace annulaire radial, dans la plage de vitesse de rotation inférieure du moteur et dans le régime de freinage. On obtient de cette manière une augmentation de la pression d'alimentation dans le compresseur prévu à la suite, en raison d'une élévation de la vitesse d'écoulement dans la turbine ou, plus exactement, dans la grille de guidage de la turbine. Dans la plage de vitesses de rotation moyenne ou supérieure, les aubes directrices sont retirées de l'espace annulaire radial, ce qui agrandit la section d'écoulement. On empêche de cette manière l'établissement d'une pression d'alimentation trop élevée dans le compresseur, laquelle pourrait endommager des composants. Grâce au tiroir axial, on dispose ainsi, pratiquement, d'une turbine que l'on peut faire fonctionner à deux régimes. Une turbine d'échappement doit être conçue en tenant compte des conditions de fonctionnement du moteur à combustion interne avec lequel elle doit être utilisée. Ceci est vrai surtout en ce qui concerne le débit et la pression d'alimentation. Pour obtenir une pression d'alimentation de consigne désirée pour le compresseur, la turbine doit être conçue avec une grandeur déterminée. L'inconvénient d'une turbine conçue avec une telle grandeur est que son rendement pendant le régime de freinage du moteur est trop faible. Pour cette raison, il est connu dans la pratique de créer, par divers dispositifs et mesures, une pression de retenue suffisamment élevée en aval du moteur à combustion interne, ceci afin de relever la puissance de freinage. Encore un autre inconvénient de grandes turbines est que, lorsque la grille de guidage est extraite de l'espace annulaire radial, il se produit un saut en arrière relativement fort à un niveau de pression plus bas. Cela signifie qu'il faut un temps plus long pour atteindre une pression d'alimentation maximale préfixée. Dans le cas de la solution décrite dans la demande de brevet allemand DE 32 44 928 Al pour un moteur à combustion interne suralimenté au moyen d'un turbocompresseur à gaz d'échappement, un conduit de recirculation est installé entre un collecteur d'air d'alimentation et un collecteur de gaz d'échappement. A travers ce conduit de recirculation, de l'air d'alimentation comprimé est renvoyé à l'entrée de la turbine. On a prévu en plus un dispositif de recirculation-évacuation constitué d'une soupape d'évacuation et de recirculation. La demande de brevet allemand DE 36 06 944 Al décrit un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement avec un carter de turbine qui présente une admission de gaz et un canal axial de sortie de gaz. Un bipasse, reliant l'admission de gaz au canal de sortie de gaz, débouche dans un évidement annulaire pratiqué dans la paroi de ce canal. Pour régler la quantité de gaz passant par le bipasse, on a prévu un tiroir rotatif en forme d'anneau, qui est disposé dans l'évidement et contient une ouverture radiale de distribution que l'on peut faire coïncider ou non avec l'embouchure du bipasse par la rotation du tiroir. Quant à l'arrière-plan technique général, on peut se reporter en outre au brevet allemand DE 43 15 474 Cl. Le but de la présente invention est de perfectionner une turbine de turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement, de manière qu'elle possède un haut rendement en régime de freinage, mais soit en même temps optimisée, pour ce qui concerne son rendement, en vue de la génération d'une pression d'alimentation adaptée au régime à pleine charge. Conformément à l'invention, on obtient ce résultat par le fait que, dans une position reculée du tiroir axial, dans laquelle la grille de guidage n'est pas engagée dans l'espace annulaire radial, ce tiroir démasque une ouverture de sortie menant à un canal d'évacuation de gaz. Grâce à l'ouverture de sortie selon l'invention, on a créé pratiquement une turbine capable de fonctionner à trois paliers ou régimes différents et qui se laisse adapter de ce fait de manière optimale aux conditions de fonctionnement instantanées. C'est ainsi que l'on utilisera la grille de guidage, de façon connue, seulement dans la plage de vitesse de rotation inférieure du moteur pour sa marche avec combustion de carburant et dans le régime de freinage. Le système possède alors un comportement de débit faible. Au deuxième palier, utilisé dans une plage de vitesse de rotation moyenne, les aubes directrices de la grille de guidage sont repoussées hors de l'espace annulaire radial et le débit est plus important L'invention crée en plus un troisième palier, dans lequel le débit possible est augmenté plus encore par l'ouverture de sortie. Ce palier ou régime concerne la plaque de vitesse de rotation supérieure, c'est-à-dire la plage de charge dans laquelle une haute capacité de débit de la turbine est avantageuse. Cette construction a l'avantage essentiel que la turbine peut globalement être conçue plus petite. Malgré cela, elle peut passer par ou couvrir une plus grande plage d'admission de gaz. A la différence d'une turbine sans dispositif d'évacuation de gaz, conçue pour une pression d'alimentation de consigne et une vitesse de rotation - adaptée à son débit - correspondant au point de charge nominale, la turbine selon l'invention est conçue plus petite quant à sa capacité de débit. Dans la pratique, on concevra la turbine de turbocompresseur selon l'invention pour une pression d'alimentation de consigne se référant à une vitesse de rotation dans la plage moyenne. Si le point de référence pour la conception, en ce qui concerne sa pression d'alimentation de consigne, est atteint, du gaz d'échappement est évacué en conséquence, à travers l'ouverture de sortie, dans un canal d'évacuation de gaz, avec contournement de la turbine d'échappement, afin d'éviter une pression trop élevée dans la plage de vitesse de rotation supérieure. On empêche ainsi que la pression d'alimentation dépasse la pression d'alimentation de consigne préfixée et que des dommages soient occasionnés de ce fait dans le système. Un autre avantage de la turbine de turbocompresseur ainsi réduite en dimensions, conformément à l'invention, est que la pression d'alimentation de consigne est atteinte plus rapidement en comparaison avec des turbines conventionnelles et que la chute de pression à la suite d'une extraction des aubes directrices hors de l'espace annulaire radial n'est pas non plus trop grande. Grâce à la turbine conçue plus petite, celle-ci est utilisable aussi avec un rendement nettement meilleur dans le régime de freinage. La turbine de turbocompresseur selon l'invention permet d'obtenir en plus, du fait qu'elle est plus petite, un bon comportement en écoulement instationnaire du moteur à combustion interne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une coupe partielle prise suivant un plan méridien de la turbine d'un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement, dont les autres parties ne sont pas représentées, alors que le tiroir axial de la turbine occupe la position avancée (premier palier); - la figure 2 est une coupe partielle correspondante, mais après un retrait du tiroir axial (deuxième palier); et - la figure 3 est une coupe partielle correspondant à celle des figures 1 et 2, mais après un recul plus important encore du tiroir, avec dégagement d'une ouverture de sortie ménagée dans un guide intérieur (troisième palier). Comme le turbocompresseur et la turbine sont fondamentalement connus, on décrira ci-après de manière plus détaillée seulement les parties essentielles à l'invention. L'exemple de réalisation montre une turbine à deux flux, mais l'invention est naturellement applicable aussi à une turbine à flux unique. La turbine comprend un carter de turbine 1 avec des canaux d'écoulement 2 et 3 en spirale. Un tiroir axial 4 en forme de manchon est disposé dans une fente annulaire 5 à l'intérieur du carter de turbine 1. La fente annulaire 5 est formée par le carter de turbine 1 et un guide intérieur 6. Le tiroir 4 est déplaçable axialement suivant la double flèche par l'intermédiaire d'un dispositif de réglage non représenté. Entre le carter 1 et la roue de turbine 7, se trouve un espace annulaire radial 8. La quantite de gaz d'échappement entrant dans cet espace est influencée par la position du tiroir axial 4. Ce dernier possède, à son extrémité dirigée vers l'espace annulaire radial 8, une grille de guidage 9 possédant des aubes directrices 10 qui ne sont pas représentées de façon détaillée. Dans le guide intérieur 6 sont menages une ouverture de sortie 11, située du côté dirigé vers la fente annulaire 5, et un canal d'évacuation de gaz 12 se raccordant à cette ouverture. Le canal d'évacuation 12 peut déboucher de nouveau, en aval de la roue de turbine 7, dans le flux général de gaz d'échappement. La turbine de turbocompresseur qui vient d'être décrite fonctionne comme suit. La figure 1 illustre le premier palier de fonctionnement, dans lequel la grille de guidage 9 occupe une position avancée dans laquelle les aubes directrices 10 sont engagées dans l'espace annulaire radial 8. Ce premier palier est utilisé dans la plage de vitesse de rotation inférieure lors de la marche avec combustion de carburant du moteur à combustion interne - lequel n'est pas représenté - et dans le régime de freinage du moteur. Dans la plage de vitesse de rotation moyenne, lorsqu'une pression d'alimentation de consigne préfixée est atteinte, alors que le moteur est à l'état de fonctionnement avec combustion, la grille de guidage 9 est extraite de l'espace annulaire radial 8, ce qui est produit par un déplacement axial correspondant du tiroir 4. On obtient ainsi un abaissement de la pression d'alimentation du compresseur prévu à la suite. Cette position est montée par la figure 2. La figure 3 montre la position qu'occupe le tiroir axial 4 après que celui-ci ait été reculé plus encore, ce qui correspond à un troisième palier de fonctionnement. Comme on peut le voir, l'ouverture de sortie 11, menant au canal d'évacuation de gaz 12, est complètement dégagée à cette position, de sorte qu'il se produit une évacuation, à travers la fente annulaire 5, de gaz d'échappement introduit dans les canaux d'écoulement 2 et 3. On obtient ainsi une limitation de la pression d'alimentation. Il est évident que des zones de transition sont possibles également dans le cadre de l'invention, c'est-à-dire un fonctionnement sans palier, en particulier entre les positions montrées par les figures 2 et 3. A la place d'un dégagement complet automatique de l'ouverture 11 par le recul maximal du tiroir axial 4 au troisième palier, il est éventuellement possible aussi de ménager l'ouverture de sortie 11 dans le guide intérieur de telle sorte qu'elle soit déjà démasquée plus ou moins au deuxième palier, si bien qu'il existe dès lors une communication entre cette ouverture et la fente annulaire 5 et par suite aussi l'espace annulaire radial 8. Dans ce cas, il faut cependant un dispositif particulier, par exemple un tiroir d'arrêt, qui dégage alors le canal d'évacuation de gaz 12 s'il est actionné en conséquence. De plus, il n'est pas absolument indispensable que l'ouverture de sortie 11 et le canal d'évacuation 12 se trouve dans le guide intérieur 6. Il est seulement essentiel que soit créé un palier supplémentaire alors que la grille de guidage 6 est reculée, palier ou régime dans lequel du gaz d'échappement est envoyé, à travers la fente annulaire 5, avec contournement de la roue de turbine 7 du turbocompresseur. REVENDICATIONS 1 - Turbine de turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne, comprenant un carter de turbine, un tiroir axial disposé axialement coulissant, pourvu d'une grille de guidage à aubes directrices et guidé dans une fente annulaire entre le carter de turbine et un guide intérieur, ainsi qu'une roue de turbine, avec agencement d'un espace annulaire radial pour établir la communication pour l'écoulement des gaz entre le carter de turbine et la roue, caractérisée en ce que, dans une position reculée du tiroir axial (4), dans laquelle la grille de guidage (9) n'est pas engagée dans l'espace annulaire radial (8), ce tiroir (4) démasque une ouverture de sortie (11) menant à un canal d'évacuation de gaz (12). 2 - Turbine de turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que, à partir de la position reculée, dans laquelle la grille de guidage (9) n'est pas engagée dans l'espace annulaire radial (8), le tiroir axial (4) peut être reculé davantage, en direction axiale, pour établir un palier de fonctionnement supplémentaire dans lequel l'ouverture de sortie (11) est dégagée. 3 - Turbine de turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'ouverture de sortie (11) et le canal d'évacuation de gaz (12) sont ménagés dans le guide intérieur (6).