Brevet FR2817911A1 — publié le 20020614

L'invention concerne un turbocompresseur à gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne, comportant une turbine à gaz d'échappement et un compresseur entraîné par la turbine à gaz d'échappement, la turbine à gaz d'échappement comprenant un boîtier de turbine avec un rotor de turbine monté mobile en rotation. On connaît du document DE-OS 28 43 202 un turbocompresseur à gaz d'échappement qui comprend une turbine à gaz d'échappement entraînée par les gaz d'échappement du moteur à combustion interne, ainsi qu'un compresseur qui est en liaison de rotation avec la turbine via un arbre et qui comprime de l'air de combustion aspiré jusqu'à une pression de chargement accrue à laquelle l'air de combustion est amené à l'admission des cylindres du moteur à combustion interne. Le boîtier du turbocompresseur à gaz d'échappement est constitué par trois boîtiers individuels pour la turbine, pour le compresseur ainsi que pour le palier entre la turbine et le compresseur. Chacun des boîtiers individuels est réalisé sous forme de pièce de fonderie, et les boîtiers situés à l'extérieur pour la turbine et pour le compresseur comprennent également les canaux d'amenée et d'évacuation respectivement vers le rotor de turbine et vers le rotor de compresseur et en éloignement du rotor correspondant. Les boîtiers réalisés par un procédé de fonderie sont certes économiques à produire et garantissent également la sécurité nécessaire lors d'un éclatement du rotor respectif, mais en particulier lors de la mise en place dans des véhicules utilitaires, ils présentent un poids élevé à cause de leur grande forme structurelle, ce que l'on doit compenser par des éléments d'attache et d'appui de structure d'autant plus complexe dans le véhicule. De plus, les boîtiers à masse importante présentent l'inconvénient qu'en raison de leur capacité thermique élevée, une quantité de chaleur très grande est accumulée dans les zones de paroi. Ceci mène au fait que beaucoup de chaleur est prélevée depuis les gaz d'échappement amenés à la turbine, ce pourquoi l'énergie à amener au rotor de turbine est réduite, ce qui peut mener à des pertes de performance en particulier après un démarrage à froid du moteur. 2 2817911 D'un autre côté, après avoir arrêté le moteur, se pose le problème que la chaleur accumulée dans les boîtiers, en particulier dans la région du turbocompresseur, peut mener à un cokage de l'huile dans le turbocompresseur. Les températures élevées peuvent en outre mener à des contraintes thermiques dans le boitier. Pour éviter des contraintes thermiques élevées inadmissibles, il est en outre nécessaire d'équiper les boitiers d'un système de refroidissement complexe, ce pourquoi le poids déjà important est encore augmenté. Un autre inconvénient est qu'en raison de l'extraction de la chaleur depuis les gaz d'échappement, le catalyseur n'est que peu chauffé en particulier du début du fonctionnement du moteur, et que la puissance totale de purification n'est atteinte qu'avec un retard temporel. L'objectif sous-jacent à l'invention est de réaliser un turbocompresseur de structure simple avec un rendement élevé. Judicieusement, on veut également réduire le poids du turbocompresseur. Conformément à l'invention, cet objectif est atteint en ce que le boîtier de turbine est constitué par deux pièces en tôle individuelles distantes l'une de l'autre, dont l'une forme une coque intérieure et dont l'autre forme une coque extérieure entre lesquelles est réalisé un intervalle qui est traversé judicieusement par l'agent réfrigérant. La réalisation avec deux tôles individuelles qui délimitent en particulier un canal en forme de spirale pour amener les gaz d'échappement jusqu'au rotor de turbine se distingue des pièces de fonderie connues de l'état de la technique par un mode de construction à poids réduit, car le matériau en tôle possède un poids spécifique plus faible, mais néanmoins une haute résistance vis-àvis de l'éclatement des tôles individuelles grâce au mode de construction à deux couches. Un autre avantage réside dans la faible capacité d'accumulation thermique de la coque intérieure et de la coque extérieure en tôle, grâce à quoi on améliore le rendement thermique du turbocompresseur et également le comportement de réaction du catalyseur. On peut omettre des tôles de protection thermique 3 2817911 additionnelles via lesquelles on devrait sinon amortir le rayonnement thermique. Une optimisation supplémentaire du rendement de la turbine est atteinte par le fait que les surfaces de tôles sont plus lisses que les surfaces de pièces de fonderie, grâce à quoi on réduit la résistance à l'écoulement dans le canal en spirale. Les tôles individuelles sont économiques à fabriquer. Selon un mode de réalisation judicieux, la coque intérieure et la coque extérieure sont fabriquées chacune en tôle d'acier, et la coque extérieure est fabriquée avantageusement en une tôle d'acier résistante au fluage à chaud, et la coque intérieure en une tôle d'acier résistante au fluage à haute température qui présente en particulier une résistance à la chaleur supérieure à celle de la coque extérieure. La tôle intérieure vient directement en contact avec les gaz d'échappement chauds et elle est donc chauffée plus fortement que la tôle extérieure qui n'a pas de contact direct avec les gaz d'échappement. La tôle intérieure délimitant directement le canal en spirale et constituée en une matière de résistance plus haute à la chaleur peut supporter sans problème des températures élevées des gaz d'échappement. La coque extérieure située à l'extérieur et entourant la coque intérieure n'a pas de contact direct avec les gaz d'échappement, de sorte qu'il suffit de prévoir un matériau pour la coque extérieure qui présente une résistance à la chaleur plus faible que le matériau de la coque intérieure. Aussi bien la coque intérieure que la coque extérieure peuvent être réalisées comme des pièces obtenues par déformation qui sont fabriquées par des techniques de déformation appropriées, par exemple par un procédé de déformation à pression intérieure élevée à partir de tôles planes et qui peuvent présenter une structure compliquée qui permet en particulier la réalisation du canal en forme de spirale. Il est possible de réaliser un canal spiralé à double flux à partir une seule coque intérieure, et les deux flux du canal spiralé sont séparés par une paroi de séparation qui est formée par une conformation correspondante de la coque intérieure. 4 2817911 La coque intérieure et la coque extérieure sont réalisée avantageusement de façon séparée du canal de sortie de la turbine, dans lequel est monté mobile en rotation le rotor de la turbine. Le canal de sortie qui peut être relié à un boitier de montage sur le côté opposé du rotor de turbine est réalisé avantageusement sous forme de pièce de fonderie et il est capable d'encaisser les forces statiques et dynamiques du rotor de turbine et de garder sa forme et sa dimension initiales même sous une charge thermique. La coque intérieure et la coque extérieure sont réalisées de façon séparée du canal de sortie et elles sont donc déchargées des forces élevées du rotor de turbine. Le développement de chaleur du rotor de turbine est encaissé sensiblement par le canal de sortie et évacué via celui-ci, de sorte que la coque intérieure et la coque extérieure sont largement déchargées du développement de chaleur du rotor de turbine. L'intervalle entre la coque intérieure et la coque extérieure peut être traversé par un agent réfrigérant qui peut être amené, selon un mode de réalisation avantageux, via des manchons d'entrée et via des manchons de sortie dans la coque extérieure. Selon un autre mode de réalisation avantageux, le boîtier de turbine constitué par la coque intérieure et par la coque extérieure forme conjointement avec un collecteur d'échappement un composant d'un seul tenant qui est agencé au niveau de la sortie des cylindres du moteur à combustion interne. D'autres avantages et modes de réalisation judicieux ressortent de la description qui suit en se rapportant aux dessins. Les figures montrent: figure 1, une coupe à travers un boîtier de turbine comportant un canal spiralé à double flux; figure 2, une coupe à travers un boitier de turbine comportant un canal spiralé à simple flux; figure 3, une vue latérale la turbine de gaz d'échappement de la figure 2; figure 4, une vue depuis le devant de la turbine de gaz d'échappement; et 2817911 figure 5, une vue depuis le haut sur la turbine de gaz d'échappement de la figure 2. Dans les figures, les composants identiques sont désignés par les mêmes chiffres de référence. La turbine à gaz d'échappement 1 illustrée dans la figure 1 d'un turbocompresseur à gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne, qui peut être réalisé aussi bien sous la forme un moteur à combustion interne à allumage par étincelles que sous la forme un moteur à combustion interne diesel et qui peut être mis en place dans une voiture particulière ou dans un véhicule utilitaire, comprend un boîtier de turbine 2 et un rotor de turbine 3 qui est attaqué et mis en rotation par les gaz d'échappement du moteur à combustion interne. Le rotor de turbine 3 est monté en rotation dans un canal de sortie 4 de la turbine de gaz d'échappement 1 et il est relié solidairement en rotation à un arbre 5 via lequel le mouvement du rotor de turbine est transmis à un rotor d'un compresseur du turbocompresseur pour comprimer l'air de combustion aspiré. Le canal de sortie 4 est relié à un boîtier de montage 6 via un élément de liaison 7; le canal de sortie 4 et le boîtier de montage 6 sont agencés sur des côtés différents du rotor de turbine 3. Le boîtier de turbine 2 est constitué par deux couches et il comprend une coque intérieure 8 et une coque extérieure 9 distante de la coque intérieure 8, qui forment conjointement un canal spiralé 10 qui, dans exemple de réalisation selon la figure 1, est réalisé à double flux avec un premier flux lOa et avec un deuxième flux lOb, via lesquels les gaz d'échappement sont amenés depuis la sortie des cylindres du moteur à combustion interne par l'intermédiaire d'une section 11 d'entrée d'écoulement dans le canal spiralé 10 jusqu'au rotor de turbine 3 et évacués via le canal de sortie 4 en direction d'un catalyseur agencé en aval. Les deux flux 10a et lO0b à l'intérieur du canal spiralé 10 sont séparés par l'intermédiaire d'une paroi de séparation 12 qui est réalisée d'un seul tenant avec la coque intérieure 8. Le plan de la paroi de séparation 12 recoupe la section d'entrée d'écoulement 11. La paroi de séparation 12 ne va pas jusque dans la section d'entrée d'écoulement 11 dans l'exemple de réalisation; au contraire, une transition entre les deux flux 10a et lO0b reste libre à proximité de la section d'entrée 6 2817911 d'écoulement 11, via laquelle on permet un échange de gaz entre les deux flux. La coque intérieure 8 et la coque extérieure 9 du boîtier de turbine 2 sont distantes l'une de l'autre et délimitent un intervalle interposé 13 qui est traversé avantageusement par un agent réfrigérant qui peut être amené via un manchon d'entrée 14 et être évacué via un manchon de sortie 15 qui sont agencés chacun dans la coque extérieure 9. Entre la coque intérieure 8 et la coque extérieure 9, des nervures d'appui 16 sont agencées dans l'intervalle 13, via lesquelles la coque intérieure 8 et la coque extérieure 9 sont appuyées l'une contre l'autre. Les nervures d'appui 16 ont un effet de rigidification et elles améliorent la capacité de portée et de charge du boîtier de turbine 2. La coque intérieure 8 et la coque extérieure 9 sont fabriquées en tôle, en particulier en tôle d'acier et elles peuvent être réalisées par un procédé de déformation. La paroi de séparation 12 séparant les deux flux lOa et lOb dans le canal spiralé 10 est réalisée d'un seul tenant avec la paroi de la coque intérieure 8, grâce à quoi on confèere approximativement une forme de coeur à la section de la coque intérieure 8. La coque extérieure 9 entourant la coque intérieure 8 présente cependant un contour sans bossages ou évidements. La coque intérieure 8 est fabriquée en particulier en une tôle d'acier résistante au fluage à haute température, et la coque extérieure 9 est fabriquée en une tôle acier résistante au fluage à chaud. La coque intérieure 8 et la coque extérieure 9 sont fabriquées sous forme de composants individuels qui sont réalisés de façon séparée du canal de sortie 4 et du boîtier de montage 6. Dans la position assemblée, la coque intérieure 8 et la coque extérieure 9 entourent radialement la section d'entrée d'écoulement 11 entre le canal de sortie 4 et le boîtier de montage 6, via laquelle les gaz d'échappement s'écoulent hors du canal spiralé 10 vers les aubes 3b du rotor de turbine 3. L'élément de liaison 7 situé dans la section d'entrée d'écoulement 11 entre le canal de sortie 4 et le boîtier de montage 6 peut être réalisé le cas échéant sous forme de grille de guidage préalable via laquelle les 7 2817911 gaz d'échappement affluents subissent un tourbillonnement désiré. La grille de guidage préalable peut le cas échéant faire partie d'une géométrie variable de la turbine pour le réglage variable de la section d'entrée d'écoulement vers le rotor de turbine. Le canal de sortie 4 et le boîtier de montage 6 sont réalisés judicieusement sous forme de pièces de fonderie. La coque intérieure 8 logée sur le côté extérieur du canal de sortie 4 et du boîtier de montage 6 est étanchée de préférence de façon étanche aux gaz et à la pression, afin d'éviter des pertes d'écoulement et de pression. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 2, la turbine de gaz d'échappement i comprend un canal spiralé 10 à simple flux qui est en communication avec le canal de sortie et avec le rotor de turbine 3 agencé dans celui-ci via la section d'entrée d'écoulement 11. En supplément à l'élément de liaison 7 réalisé judicieusement sous la forme d'une grille de guidage stationnaire, on peut agencer dans la section d'entrée d'écoulement 11 une géométrie de turbine variable 17 qui peut être réalisée par exemple sous la forme d'une grille de guidage dont les aubes de guidage sont réglables de façon variable et qui peut être déplacée via un élément de positionnement 18 entre une position d'accumulation réduisant la section d'entrée d'écoulement et une position d'ouverture libérant au maximum la section d'entrée d'écoulement. On voit dans les illustrations selon les figures 3 et 4 que le boîtier de turbine est relié à un collecteur d'échappement 19, et un élément de compensation de longueur 20 (figure 3) peut être prévu entre le collecteur d'échappement 19 et le boîtier de turbine 2. Le boîtier de turbine 2 est relié au canal de sortie 4 ou au boîtier de montage via des traverses 21 et 22. 8 2817911 Liste des références 1 turbine à gaz d'échappement 2 bottier de turbine 3 rotor de turbine 3a moyeu de turbine 3b aubes 4 canal de sortie arbre 6 boîtier formant palier 7 élément de liaison 8 coque intérieure 9 coque extérieure canal spiralé lOa flux lOb flux 11 section d'entrée d'écoulement 12 paroi de séparation 13 intervalle 14 manchon d'entrée manchon de sortie 16 nervures d'appui 17 géométrie de turbine variable 18 élément de positionnement 19 collecteur d'échappement élément de compensation de longueur 21 traverse 22 traverse 9 2817911 Revendications 1. Turbocompresseur à gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne, comportant une turbine à gaz d'échappement (1) et un compresseur entraîné par la turbine à gaz d'échappement, la turbine à gaz d'échappement (1) comprenant un boîtier de turbine (2) avec un rotor (3) monté mobile en rotation, caractérisé en ce que le boîtier de turbine (2) est constitué par deux pièces en tôle individuelles distantes l'une de l'autre, dont l'une forme une coque intérieure (8) et dont l'autre forme une coque extérieure (9) entre lesquelles est réalisé un intervalle (13). 2. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la coque intérieure (8) et la coque extérieure (9) sont fabriquées en tôle d'acier. 3. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la coque extérieure (9) est fabriquée en une tôle d'acier résistante au fluage à chaud. 4. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la coque intérieure (8) est fabriquée en une tôle d'acier résistante au fluage à haute température, et en ce qu'elle est fabriquée en particulier en un matériau présentant une résistance à la chaleur supérieure à celle de la coque extérieure (9). 5. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la coque intérieure (8) et la coque extérieure (9) sont réalisées sous forme de pièces obtenues par déformation. 6. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la coque intérieure (8) délimite un canal spiralé à double flux (10), une paroi de séparation 2817911 (12) étant réalisée dans la paroi de la coque intérieure (8) pour subdiviser le canal spiralé (10) en deux flux (10a, lob). 7. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la coque intérieure (8) délimite un canal spiralé à simple flux (10). 8. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que sur la coque extérieure (9) est prévu un manchon d'admission (14) et un manchon de sortie (15) respectivement pour l'amenée et pour l'évacuation d'un agent réfrigérant dans l'intervalle (13) entre la coque intérieure (8) et la coque extérieure (9). 9. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le rotor de turbine (3) est agencé dans un canal de sortie (4) dans le boîtier de turbine (2), le canal de sortie (4), la coque intérieure (8) et la coque extérieure (9) étant réalisés chacun sous forme de composants séparés. 10. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon la revendication 9, caractérisé en ce que le canal de sortie (4) est réalisé comme pièce de fonderie. 11. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le boîtier de turbine (2) constitué par la coque intérieure (8) et par la coque extérieure (9) forment, conjointement avec un collecteur d'échappement (10) agencé au niveau de la sortie des cylindres du moteur à combustion interne, un composant d'un seul tenant. 12. Turbocompresseur à gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la coque intérieure (8) et la coque extérieure (9) prennent appui mutuellement via des nervures d'appui (16) dans l'intervalle (13) entre les coques.