Brevet FR2801072A1 — publié le 20010518

"Turbocompresseur comportant des entrées de turbine alignées selon un plan radial" L'invention concerne un turbocompresseur pour un moteur à combustion interne suralimenté. L'invention se rapporte plus particulièrement à un turbocompresseur pour un moteur à combustion interne suralimenté dont le bloc moteur comporte au moins quatre cylindres, du type dans lequel la chambre de combustion de chaque cylindre communique avec un conduit d'échappement qui débouche dans une face du bloc moteur par un orifice de sortie, du type dans lequel une canalisation d'échappement prolonge chaque conduit d'échappement depuis l'orifice de sortie associé vers l'extérieur du bloc moteur, les canalisations d'échappement formant au moins deux groupes et étant raccordées à une canalisation commune ou volute du turbocompresseur, type dans lequel le turbocompresseur comporte une roue de turbine et un compresseur portés par un arbre de turbocompresseur logés respectivement dans un carter de turbine et dans un carter de compresseur, et du type dans lequel chaque volute communique avec l'interieur du carter de turbine par une entrée de turbine. connaît déjà des turbocompresseurs comportant deux volutes dont les entrées sont juxtaposées sur le carter de turbine selon plan axial. type de turbocompresseur, dit turbocompresseur twin- scroll, facilement adaptable sur les architectures conventionnelles des moteurs du type à six cylindres en ligne. En effet, les deux groupes de canalisations d'échappement raccordées entre elles pour former les deux volutes sont parfaitement symétriques par rapport à un plan médian perpendiculaire à l'alignement des cylindres. II n'en va pas de même pour un moteur du type à quatre cylindres en ligne où l'implantation d'un turbocompresseur twin- scroll oblige à définir une architecture de collecteur d'échappement peu propice à une installation rationnelle et compacte, du fait notamment que deux des quatre canalisations d'échappement doivent nécessairement se croiser avant d'être raccordees sur une volute. Outre cette difficulté d'implantation, il convient de préciser que dans le cas d'un montage du turbocompresseur twin-scroll centré le bloc d'un moteur à quatre cylindres, répartition du volume interne de chacun des groupes canalisations d'échappement ne peut être qu'inégale. Cette répartition inégale peut conduire à perturber le rendement de la turbine, ou à produire des contraintes thermiques non négligeables de part et d'autre de la cloison de séparation des volutes qui se situe au voisinage des entrées sur le carter de turbine. autre problème posé par le turbocompresseur twin- scroll qu'il est difficile de déterminer le dessin optimum des entrées de turbine et de l'intérieur du carter turbine pour obtenir un rendement de turbine optimisé. En effet, le taux de détente des gaz d'échappement à chaque entrée turbine est différent du fait que l'écoulement dans la roue de turbine est axial et que les deux arrivées de gaz d'échappement l'arbre de la roue de turbine sont décalées axialement. De plus, les montages utilisant un turbocompresseur twin- scroll produisent un rayonnement thermique important autour du turbocompresseur car la longueur importante des canalisations d'échappement produit des pertes de température des gaz d'échappement entre les orifices de sortie du bloc moteur et la sortie de la turbine. L'invention a pour but de proposer une nouvelle conception d'un turbocompresseur qui remédie aux inconvénients précités. Dans ce but l'invention propose un turbocompresseur du type décrit précédemment, caractérisé en ce que les entrées de turbine sont sensiblement alignées selon un plan radial, de manière que les gaz d'échappement circulant dans chaque volute pénètrent dans le carter de turbine selon le même plan radial. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le turbocompresseur comporte une première et une deuxième volutes qui pénètrent dans le carter de turbine respectivement par une première et une deuxième entrées de turbine, et deux entrées de turbines sont diametralement opposées rapport à l'axe de la turbine, de manière le flux des gaz d'echappement se répartisse de façon équilibree à la périphérie externe de la roue de turbine ; - chaque volute s'enroule en partie autour du carter de turbine sous la forme d'une spirale ; - les volutes sont sensiblement dans le même plan radial ; - une conduite de décharge des gaz d'échappement est raccordée axialement à chaque volute ; - au moins une des volutes est réalisée d'un seul tenant avec les canalisations d'échappement associées ; - pour un moteur comportant un premier, un deuxième, un troisième et un quatrième cylindres qui sont alignés, la première volute permet le raccordement des canalisations d'échappement des premier et quatrième cylindres, et la deuxième volute permet le raccordement des canalisations d'échappement des deuxième et troisième cylindres ; - les points de raccordement de chaque volute avec un groupe de deux canalisations d'échappement sont décalés angulairement d'environ quatre-vingt dix degrés autour l'axe de la turbine ; - la deuxième volute est réalisée d'un seul tenant avec les canalisations d'échappement des deuxième et troisième cylindres qui sont raccordées entre elles à hauteur des orifices de sortie associés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue générale en perspective qui représente une culasse de moteur suralimenté comportant un turbocompresseur réalisé conformément aux enseignements de l'invention ; - figure 2 est une vue en perspective de trois-quarts avant en coupe transversale qui représente le turbocompresseur de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue arrière en coupe partielle qui représente le turbocompresseur de la figure 1. a représenté à la figure 1 la culasse d'un bloc moteur 2 à quatre cylindres C1, C2, C3, C4, munie d'un turbocompresseur 14 selon le mode de réalisation préféré de l'invention. bloc moteur 12 comporte un premier C1, deuxième C2, un troisième C3 et un quatrième C4 cylindres qui sont alignés suivant l'orientation sensiblement longitudinale de la culasse 10. Dans suite de la description, on utilisera une orientation d'avant arrière suivant la direction longitudinale, le premier cylindre se situant à l'avant du bloc moteur 12 et le quatrième cylindre se situant à l'arrière. utilisera aussi une orientation verticale correspond sensiblement à la direction de bas en haut sur la figure 1. Chaque cylindre C1, C2, C3, C4 a chambre de combustion qui communique avec un conduit d'échappement qui débouche dans une face latérale 16 de la culasse 10 par un orifice de sortie 18, 20, 22, 24. Selon une structure générale connue de l'état de la technique, le turbocompresseur 14 comporte une turbine 26 et un compresseur (non représenté) qui sont portés par un arbre de turbocompresseur (non représenté), le compresseur étant prévu ici pour être monté à l'avant de la turbine 26. La turbine 26 est logée dans un carter turbine 28 sensiblement de révolution cylindrique. La direction axiale X-X' de la turbine 26 est ici sensiblement parallèle ' la direction longitudinale de la culasse. Conformément aux enseignements de l'invention et comme on l'a représenté de manière agrandie à la figure 2, le carter 28 de turbine comporte une première 30 et une deuxième 32 volutes qui communiquent avec l'intérieur du carter de turbine 28 respectivement par une première 34 et une deuxième entrées 36 de turbine. Chaque volute 30, 32 s'enroule en partie, sous la forme d'une spirale, autour du carter 28 de turbine dans sens anti-horaire (en considérant la figure 2) à partir de chaque entrée 34, 36 de turbine. La première volute 30 comporte, à son extrémité opposée à la première entrée 34 de turbine, un orifice de raccordement avant et un orifice de raccordement arrière 40. canalisation d'échappement avant 42 relie l'orifice de sortie 18 premier cylindre C1 à l'orifice de raccordement avant 38, et une canalisation d'échappement arrière 44 relie l'orifice de sortie du quatrième cylindre C4 à l'orifice de raccordement arrière La deuxième volute 32 a son extrémité opposée à la deuxième entrée de turbine 36 qui s'élargit de manière ' se raccorder directement et simultanément sur les orifices sortie 20, 22 des deuxième C2 et troisième C3 cylindres par un orifice de raccordement central ou plenum 46. On note que cette disposition utilisant un plenum 46 permet avantageusement de s'affranchir de l'utilisation de canalisations d'échappement pour les deux cylindres C2 C3 associes. préférence les orifices de raccordement avant 38 et arrière sont décalés angulairement par rapport au plenum 46 d'environ quatre vingt dix degrés autour de l'axe X-X' de la turbine 26. Sur la figure 2 on a représenté une roue de turbine est de type connu selon l'état de la technique. Elle comporte notamment une série de pales 50 d'orientation axiale sont réparties à la périphérie externe d'un arbre 52 de roue de turbine. Le profil axial des pales 50 épouse la forme du profil axial carter de turbine 28, c'est à dire que leur diamètre décroît l'avant vers l'arrière. canalisation axiale de sortie 53 s'étend vers l'arrière du carter de turbine pour évacuer les gaz d'échappement vers la ligne sortie d'échappement (non représentée). distingue aussi sur la figure 2 la forme particulière plenum du type en entonnoir , qui collecte les d'échappement des deuxième C2 et troisième C3 cylindres. orifices de sortie 20, 22 de ces deux cylindres C2, C3 débouchent directement dans le plenum 46, et donc dans la deuxième volute 32. On remarque aussi que les deux volutes 30, 32 sont contenues sensiblement dans le même plan radial que le carter de turbine 28, ce qui fait ressembler l'ensemble à une coquille d'escargot. La forme en spirale des volutes 30, 32 fait qu'elles débouchent sensiblement tangentiellement dans le carter turbine 28 par les deux entrées de turbine 34, 36 qui sont préférence diamétralement opposées par rapport à l'axe X-X' 1a turbine 26. Chaque volute 30, 32 se prolonge à l'intérieur du carter turbine 28 par un canal 54, 56 formé dans la paroi arrière carter 28, à sa périphérie externe, depuis une entrée 34, 36 de turbine jusqu'à l'autre entrée de turbine. La section de chaque canal 54, 56 est régulièrement décroissante. Chaque canal 54, 56 sert à guider les gaz d'échappement provenant de la volute associée 30, 32 pour les forcer à pénétrer radialement dans la roue de turbine 48. Ceci permet une bonne distribution du flux des gaz d'échappement sur les pales 50 de roue de turbine 48, et on augmente ainsi le rendement de turbine vue représentée à la figure 3 montre une conduite décharge 58 des gaz d'échappement de type connu qui raccordée axialement à chaque volute par un premier 60 et un deuxième 62 orifices de décharge. On a représenté schématiquement sur la figure 3 une soupape de décharge 64 ou clapet de by-pass qui permet de régler la pression de suralimentation en dérivant plus ou moins le flux des gaz d'échappement vers la ligne de sortie d'échappement (non représentée). De préférence, les deux volutes 32 sont réalisées par moulage avec le carter 28 de turbine, les deux canalisations d'échappement 42, 44 sont réalisées en tole ou en fonte. Bien entendu, selon une variante de réalisation, les canalisations d'échappement 42, 44 peuvent aussi être réalisées d'une seule pièce avec le carter 28 de turbine par fonderie, ou bien les canalisations d'échappement 42, 44 et le plenum 46 peuvent être réalisés en tôle ou en fonte et être raccordés sur chaque volute 30, 32 par des moyens appropriés. Le principe de fonctionnement du turbocompresseur selon l'invention est similaire à celui d'un turbocompresseur selon l'état de la technique. Lorsque le moteur fonctionne les qui sont brûlés dans la chambre de combustion de chaque cylindre C1, C2, C3, C4 sont évacués par les conduits d'échappement et les orifices de sortie d'échappement 18, 20, 22, 24. Ces gaz d'échappement sont amenés dans le carter 28 de turbine par les canalisations d'échappement 42, 44 et le plenum 46, puis par les volutes 30, 32. Dans le carter 28 de turbine gaz d'échappement poussent les pales 50 de la roue 48 turbine en s'évacuant axialement vers l'arrière par la canalisation axiale de sortie 53. La rotation de la roue 48 de turbine entraîne le compresseur qui pré-comprime par exemple de l'air avant son admission dans les cylindres C1, C2, C3, C4. Grâce à l'invention, l'ensemble comprenant le turbocompresseur 14 et les canalisations d'échappement 42, 44 est plus compact ce qui permet de diminuer les masses suspendues du moteur suralimenté. longueur réduite des canalisations d'échappement 42, 44 et volutes 30, 32 permet de réduire les pertes thermiques entre orifices de sortie 18, 20, 22, 24 d'échappement de culasse et la canalisation axiale de sortie 53 de turbine. Cette réduction des pertes thermiques permet aussi de réduire sollicitations thermomécaniques des canalisations d'échappement 42, 44 des volutes 30, 32. réduction des contraintes thermiques l'environnement des canalisations d'échappement 42, 44 et le turbocompresseur 14 améliore l'efficacité d'amorçage d'éventuels catalyseurs et améliore le rendement de la turbine 26. invention permet de faciliter la réalisation du carter 28 de turbine fonderie. Le dessin des volutes 30, 32 et de leurs entrées 36 dans le carter 28 de turbine est notamment plus facile à realiser, car les sections de passage des gaz au droit la roue turbine 48 sont équivalentes pour les deux volutes 32. La suppression partielle ou totale des canalisations d'échappement en les intégrant aux volutes 30, 32 permet réduire le coût global de l'installation du turbocompresseur 14. effet les canalisations d'échappement, compte tenu de leur conception adaptée aux hautes températures, sont coûteuses. Bien entendu l'invention, décrite ici dans le cadre d'un moteur à quatre cylindres en ligne, est applicable à d'autres types de moteurs à combustion interne suralimentés . Le moteur peut notamment comporter un nombre cylindres plus important, un nombre de cylindre impair, ou cylindres qui ne sont pas alignés. REVENDICATIONS Turbocompresseur (14) pour un moteur à combustion interne suralimenté dont le bloc moteur (12) comporte au moins quatre cylindres (C1, C2, C3, C4), du type dans lequel la chambre de combustion de chaque cylindre (C1, C2, C3, communique avec conduit d'échappement qui débouche dans une face (16) du bloc moteur (12) par un orifice de sortie (18, 22, 24), du type dans lequel une canalisation d'échappement 42, 46) prolonge chaque conduit d'échappement depuis l'orifice de sortie associe (18, 20, 22, 24) vers l'extérieur du bloc moteur (12), les canalisations d'échappement (40, 42, 46) formant moins deux groupes et étant raccordées à une canalisation commune ou volute (30, 32) du turbocompresseur, du type dans lequel le turbocompresseur (14) comporte une roue de turbine (48) et un compresseur portés par un arbre de turbocompresseur et logés respectivement dans un carter de turbine (28) et dans un carter de compresseur, et du type dans lequel chaque volute (30, 32) communique avec l'intérieur du carter (28) de turbine par une entrée turbine (34, 36), caractérisé en ce que les entrées de turbine 36) sont sensiblement alignées selon un plan radial, de maniere que les gaz d'échappement circulant dans chaque volute 32) pénètrent dans le carter (28) de turbine selon le même plan radial. Turbocompresseur selon la revendication précédente, caracterisé en ce qu'il comporte une première (30) et une deuxième (32) volute qui pénètrent dans le carter (28) de turbine respectivement par une première (34) et une deuxième (36) entrée de turbine, et en ce que les deux entrées (34, 36) de turbines sont diamétralement opposées par rapport à l'axe (X-X') de la turbine (26), de manière que le flux des gaz d'échappement se répartisse de façon équilibrée à la périphérie externe de la roue turbine (48). Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque volute (30, 32) s'enroule en partie autour du carter (28) de turbine sous la forme d'une spirale. 4. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les volutes (30, 32) sont sensiblement dans le même plan radial. 5. Turbocompresseur selon l'une quelconque revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une conduite décharge (28) des gaz d'échappement est raccordée axialement a chaque volute (30, 32). 6. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une des volutes (32) est réalisée d'un seul tenant avec canalisations d'échappement associées (46). 7. Turbocompresseur selon l'une quelconque revendications précédentes, pour un moteur comportant premier (C1), un deuxième (C2), un troisième (C3) et quatrième (C4) cylindre qui sont alignés, caractérisé en ce la première volute (30, 32) permet le raccordement des canali sations d'échappement (40, 42) des premier (C1) et quatrieme (C4) cylindres, et la deuxième volute (32) permet le raccordement des canalisations d'échappement (46) des deuxième (C2) et troisième (C3) cylindres. 8. Turbocompresseur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les points de raccordement de chaque volute (30, 32) avec un groupe de deux canalisations d'échappement (40, 42, 46) sont décalés angulairement d'environ quatre-vingt dix degrés autour de l'axe (X-X') de la turbine (26). 9. Turbocompresseur selon la revendication 6 prise en combinaison avec la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce la deuxième volute (32) est réalisée d'un seul tenant avec canalisations d'échappement (46) des deuxième (C2) et troisième (C3) cylindres qui sont raccordées entre elles à hauteur des orifices de sortie (20, 22) associés.