Brevet FR2755179A1 — publié le 19980430

CARTER DE TURBINE ENTRAINEE PAR LES GAZ D'ECHAPPEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne les turbocompresseurs entraînés par les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement les carters de turbine de turbocompresseurs. Classiquement, un turbocompresseur éqùipant 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 venu de fonderie contenant les conduits d'entrée et de sortie. 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 boîte 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 aval de la turbine dans le sens de l'écoulement des gaz. En effet, la présence d'une turbine sur le trajet des gaz d'échappement, en amont du pot catalytique, a pour effet d'augmenter sensiblement les pertes thermiques subies 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. I1 en résulte un rallongement du temps d'amorçage du catalyseur, ce qui accroit les quantités de polluants rejetés à l'atmosphère. La présente invention a donc pour objet de remédier aux inconvénients précités en proposant un nouveau type de carter de turbine limitant les pertes thermiques des gaz d'échappement lors de la phase d'amorçage du catalyseur, ce carter de turbine étant par ailleurs de conception simple et de réalisation économique. Le carter selon l'invention est dù type comportant un logement pour une roue à ailettes montée libre en rotation, un conduit d'admission des gaz d'échappement dont l'orifice d'entrée est destiné à être raccordé au collecteur d'échappement, 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 et entraîner cette dernière en rotation, un second passage intérieur recueillant les gaz d'échappement à la sortie de la roue, second passage prolongé par 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 carter de turbine est caractérisé en ce que le conduit d'évacuation des gaz d'échappement débouche perpendiculairement à l'axe de rotation de la roue et en ce que par ailleurs, l'orifice de sortie du conduit d'évacuation soit agencé dans un même plan que l'orifice d'entrée du conduit d'admission des gaz d'échappement. Selon une autre caractéristique du carter de turbine objet de l'invention, l'orifice de sortie du conduit d'évacuation des gaz d'échappement est disposé à proximité de l'orifice d'entrée du conduit d'admission des gaz d'échappement. Selon une autre caractéristique du carter de turbine objet de l'invention, l'orifice de sortie des gaz d'échappement et l'orifice d'èntrée des gaz d'échappement sont réunis par un même bride plate sur laquelle viennent se fixer en correspondance respectivement l'entrée de la ligne d'échappement et la sortie du collecteur d'échappement du moteur. Selon une autre caractéristique du carter de turbine objet de l'invention, ce dernier intègre un conduit de dérivation reliant le conduit d'admission au conduit d'évacuation. Selon une autre caractéristique du carter de turbine objet de l'invention, le conduit de dérivation est sensiblement droit et de longueur restreinte. Selon une autre caractéristique du carter de turbine objet de l'invention, le conduit de dérivation coopere avec des moyens obturateurs pilotés. 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. Conformment 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 est 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'orifice d'entrée des gaz est entouré d'une bride plate 3, encore appelée bride semelle, sensiblement rectangulaire destinée donc à être boulonnée à la sortie du collecteur d'échappement non figuré 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 rque de turbine est incurvé de façon que le conduit d'évacuation 10 des gaz d'échappement qui le prolonge débouche au voisinage de l'orifice d'entrée 20 des gaz d'échappement. L'orifice de sortie 21 du conduit d'évacuation 10 est agencé dans le même plan que l'orifice d'entrée 20 de façon à pouvoir bénéficier de la même bride plate adaptée 3 pour opérer sa fixation à l'entrée de la ligne d'échappement du moteur non figurée. L'incurvation du second passage 7 est opérée 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, et que les directions générales des gaz en entrée et en sortie de carter se trouvent sensiblement dans un même plan transversal par rapport à l'axe de rotation de la roue de turbine 15. Cet agencement radial de l'entrée et de la sortie des gaz d'échappement du carter 1 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 thermiques de ces derniers. Ainsi, grâce au carter 1 de turbine selon l'invention, 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. La réunion des orifices d'entrée 20 et de sortie 21 des gaz d'échappement du carter 1 sur la même bride de fixation 3 permet de simplifier la réalisation du carter et notamment les opérations d'usinage. De plus, il est possible d'utiliser un seul joint d'étanchéité pour le montage du carter 1 au collecteur d'admission et à la ligne d'échappement, la fixation de ces organes au carter s'en trouvant par ailleurs simplifié. Le carter 1 selon l'exemple de réalisation illustré intègre 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 le conduit d'admission 2 à la sortie du conduit d'évacuation 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. La dispwosition des orifices d'entrée 20 et de sortie 21 des gaz d'échappement à proximité 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. Il en résulte que la turbine selon l'invention a un impact thermique 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, 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 '1wastegate" REVENDICATIONS [1] Carter de turbine pour turbocompresseur de moteur à combustion interne du type comportant un logement (5) pour une roue à ailettes (15) montée libre en rotation, un conduit d'admission des gaz d'échappement (2) dont l'orifice d'entrée (20) est destiné à être raccordé au collecteur d'échappement du moteur, un passage incurvé (4) prolongeant ledit conduit d'admission (2) 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) et entraîneur 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) prolongeant ledit second passage (7) et dont l'orifice de sortie (21) est destiné à être raccordé à la ligne d'échappement du moteur, caractérisé en ce que ledit conduit d'évacuation des gaz d'échappement (10) débouche perpendiculairement à l'axe de rotation de la roue (15) et en ce que l'orifice de sortie (21) dudit conduit d'évacuation des gaz d'échappement (10) est agencé dans un même plan que l'orifice d'entrée (20) du conduit d'admission des gaz d'échappement (2). [2] Carter de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice de sortie (21) du conduit d'évacuation des gaz d'échappement (10) est disposé à proximité de l'orifice d'entrée (20) du conduit d'admission (2) des gaz d'échappement. [3] Carter de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit orifice de sortie (21) du conduit d'évacuation des gaz d'échappement (10) et ledit orifice d'entrée (20) dudit conduit d'admission (2) des gaz d'échappement sont réunis par une même bride plate (3) sur laquelle viennent se fixer en correspondance respectivement l'entrée de la ligne d'échappement et la sortie du collecteur d'échappement du moteur. [4] Carter de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il intègre un conduit de dérivation (12) reliant ledit conduit d'admisgion (2) audit conduit d'évacuation (10). [53 Carter de turbine selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit conduit de dérivation (12) est sensiblement droit et de longueur restreinte. [6] Carter de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit conduit (12) coopère avec des moyens obturateurs pilotés (13).