Brevet FR2897892A1 — publié le 20070831

PARTIE DE MOTEUR A EXPLOSION COMPORTANT UNE TURBINE La présente invention concerne, de façon générale, le domaine des moteurs à explosion dotés de 5 turbocompresseurs. Plus particulièrement, l'invention concerne une partie de moteur à explosion comportant : - au moins une chambre de combustion ; une turbine dotée d'un rotor tournant à 10 l'intérieur d'une zone de rotor selon un axe de turbine, le rotor possédant des pales d'entrainement du rotor ; - des conduites d'échappement de gaz brûlés provenant d'une ou plusieurs chambre(s) de combustion, lesdites conduites d'échappement étant reliées à ladite 15 turbine de telle manière que les gaz brûlés transitant par ces conduites d'échappement débouchent dans la zone de rotor et soient dirigés vers le rotor afin de l'entraîner à rotation selon l'axe de turbine. Il est à noter que le terme zone de rotor 20 utilisé dans la présente description désigne une zone intérieure d'un carter de turbine dans lequel tourne le rotor (c'est-à-dire la turbine). La zone de rotor est délimitée périphériquement par le carter de turbine, ainsi le terme zone de rotor doit être compris comme 25 étant la zone intérieure du carter de turbine. Afin d'augmenter la puissance motrice d'un moteur à explosion, il est connu de chercher à augmenter la quantité de comburant et de carburant admise dans une chambre de combustion dudit moteur, donc la densité du 30 mélange comburant carburant. Pour cela, on utilise généralement un turbocompresseur c'est à dire une turbine chargée de collecter de l'énergie mécanique dans des gaz d'échappement du moteur couplée à un compresseur chargé d'échappement du moteur couplée à un compresseur chargé de comprimer le comburant admis dans la ou les chambres de combustion du moteur. Pour que cette opération de compression de comburant dans la chambre ait un rendement énergétique important, réduisant ainsi la perte d'énergie au niveau du turbocompresseur, on a cherché à améliorer notamment le rendement énergétique de la turbine. Une partie de moteur du type précédemment défini, permettant. de collecter de l'énergie mécanique dans des gaz d'échappement provenant de chambres à combustion, est par exemple décrite dans le document brevet FR 2 844 552. Dans cette partie de moteur, de l'art antérieur, la turbine est alimentée en gaz brûlés par des conduites d'échappement de gaz brûlés, chacune de ces conduites ayant une extrémité reliée à une chambre de combustion. Les conduites d'échappement de gaz brûlés sont toutes parallèles entre elles à l'endroit où elles débouchent. dans la zone de rotor permettant ainsi d'alimenter une même turbine par plusieurs chambres de combustion. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer une partie de moteur à explosion permettant de collecter de l'énergie mécanique dans des gaz brûlés issus d'au moins une chambre de combustion et permettant un rendement énergétique amélioré. A cette fin, la partie de moteur de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérisée en ce que les conduites d'échappement débouchent dans la zone de rotor en des endroits angulairement répartis autour de l'axe de turbine et distants entre eux. La répartition des endroits où débouchent les conduites d'échappement autour de l'axe de turbine et donc autour du rotor permettent d'éviter une concentration trop importante de gaz brûlés sur un même secteur angulaire du rotor et en un même endroit de la zone de rotor et par conséquent de mieux répartir les flux de gaz brûlés autour du rotor ce qui permet à plusieurs pâles d'un même rotor de collecter simultanément de l'énergie mécanique évitant ainsi la saturation. d'une même pale par un trop gros afflux de gaz brûlés (principalement dans les zones de fonctionnement du moteur à haut régime et à fort débit vers la turbine). D'autre part le fait que les gaz d'échappement/gaz brûlés soient mieux répartis sur le pourtour du rotor favorise la collecte d'une plus grande quantité d'énergie par le rotor, ce qui est particulièrement utile lorsque le débit de gaz brûlés transitant par la turbine est faible, comme c'est généralement le cas lorsque le moteur fonctionne à faible régime (en dessous de 1 700 tours par minute). Ces caractéristiques permettent en outre d'avoir : - une section d'entrée de turbine maximale adaptée aux forts débits et ; - une meilleure exploitation de l'effet de bouffée (lors de variations subites de pression) principalement à bas régime. Grâce à l'invention, les conduites débouchent ainsi dans des secteurs angulaires de ladite zone de rotor qui sont répartis autour de l'axe de turbine. Les conduites d'échappement peuvent déboucher soit dans un même plan perpendiculaire à l'axe de turbine soit dans différents plans perpendiculaires à l'axe de turbine. Préférentiellement, les conduites d'échappement qui sont reliées à une même chambre de combustion et qui débouchent dans la zone de rotor sont agencées pour y déboucher tout en étant dans un même plan perpendiculaire à l'axe de rotation. Cette dernière caractéristique favorise une répartition symétrique des efforts autour du rotor et évite ainsi la création d'efforts inutiles au niveau des paliers portant le rotor de la turbine. On peut par exemple faire en sorte que la zone de rotor soit limitée à sa périphérie par un carter, le rotor étant placé dans ce carter. Le carter permet de maîtriser la position relative de chacune des conduites et de maîtriser précisément le volume et les formes de la zone de rotor pour améliorer l'écoulement de fluides autour de rotor. On peut par exemple faire en sorte que certaines des conduites d'échappement soient reliées à une même chambre et débouchent dans la zone de rotor en des endroits diamétralement opposés entre eux par rapport audit axe de turbine. Cette caractéristique favorise également une répartition symétrique des efforts sur le rotor de la turbine. On peut par exemple faire en sorte que la partie de moteur de l'invention comporte plusieurs chambres de combustion et que chaque chambre de combustion soit reliée à ladite zone de rotor par au moins deux conduites d'échappement dédiées à cette chambre et que les conduites d'échappement dédiées à l'échappement de gaz brûlés d'une même chambre débouchent dans la zone de rotor en des endroits diamétralement opposés entre eux par rapport audit axe de turbine. Le _ait que plusieurs conduites reliées à une même chambre débouchent dans des endroits diamétralement opposés entre eux dans la zone de rotor favorise une répartition des efforts sur le rotor et une répartition des flux de gaz brûlés. Ainsi lorsque les gaz brûlés d'une chambre sont évacués d'une chambre, ceux-ci sont sensiblement simultanément répartis de part et d'autre du rotor. On peut par exemple faire en sorte que les conduites d'échappement débouchent dans la zone de rotor en des endroits angulairement équirépartis autour de l'axe de turbine. L'expression équirépartis angulairement indique que deux endroits adjacents où débouchent des conduites d'échappement sont toujours séparés entre eux d'un angle donné constant et égale à 360 divisé par le nombre de conduites réparties autour de l'axe de rotation. On peut par exemple faire en sorte que la partie de moteur de l'invention possède au moins deux conduites d'échappement reliant une même chambre à ladite turbine et que ces conduites d'échappement aient une longueur de conduite propre, ces longueurs étant identiques entre elles. Le fait que les longueurs de conduite reliant une même chambre à la turbine soient identiques entre elles favorise une variation simultanée des flux de gaz brûlés pénétrant dans la zone de rotor, ce qui permet une amélioration du rendement de turbine par les pulsations de pression et un équilibre des efforts sur le rotor. Cette caractéristique va dans le sens d'une augmentation de la durée de vie des paliers supportant ledit rotor puisque ces paliers sont moins sollicités radialement du fait de la symétrie de répartition des efforts sur le rotor. On peut par exemple faire en sorte que la partie de moteur selon l'invention comporte plusieurs chambres de combustion reliées à ladite turbine par lesdites conduites d'échappement et que ces conduites aient des longueurs propres sensiblement identiques entre elles. On peut par exemple faire en sorte que la partie de moteur de l'invention possède des soupapes d'échappement adaptées pour contrôler sélectivement le passage de gaz d'échappement entre une chambre de combustion et la ou les conduites d'échappement qui y sont reliées. On peut par exemple faire en sorte que lorsque plusieurs conduites d'échappement de la partie de moteur de l'invention sont reliées à une même chambre de combustion, alors ladite chambre possède autant de soupapes d'échappement que de conduites d'échappement et que chaque soupape d'échappement soit disposée pour contrôler sélectivement le passage de gaz brûlés de la chambre vers une seule des dites conduites d'échappement reliées à cette chambre de combustion. On peut par exemple faire en sorte que la partie de moteur de l'invention comporte des moyens de contournement mobiles entre une configuration de contournement de turbine où les gaz brûlés sont orientés pour s'échapper sans transiter par la turbine et une configuration de routage vers la turbine où les gaz brûlés sont orientés pour transiter par la turbine. En configuration de contournement, les moyens de contournement orientent au moins une partie des gaz brûlés vers une portion de circuit d'échappement libre de manière à ce que cette partie de gaz brûlés orientés ne transite pas par ladite turbine, il en résulte une baisse de la quantité d'énergie transmis à la turbine. En configuration de routage vers la turbine, les moyens de contournement orientent tout ou partie des gaz brûlés vers ladite turbine, la proportion de gaz d'échappement orientés vers la turbine étant alors supérieure à ce qu'elle est lorsque les moyens de contournement sont en configuration de contournement. Dans cette configuration de routage, et à débit et température de gaz d'échappement constant, la quantité d'énergie mécanique transmise à la turbine par les gaz d'échappement est donc supérieure à ce qu'elle est lorsque les moyens de contournement sont en configuration de contournement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'une turbine pour la mise en oeuvre de la partie de moteur de l'invention ; la figure 2 représente une vue de dessus schématique d'un moteur comportant la partie de moteur 1 25 selon l'invention ; la figure 3a représente une vue schématique en coupe d'un moyen de contournement de turbine en configuration de contournement ; la figure 3b représente une vue schématique du 30 moyen de contournement de la figure 3a en configuration de routage de gaz d'échappement vers la turbine. Comme cela est visible sur la figure 1, la turbine 3 est formée par un carter 5 délimitant une zone de rotor 32 de forme sensiblement cylindrique. La turbine comporte en outre un rotor 31 monté à rotation selon un axe de turbine 33 qui est sensiblement confondu avec un axe de la zone de rotor sensiblement cylindrique. Le rotor porte des pales d'entrainement de rotor 34 placées sensiblement en étoile par rapport à l'axe de turbine 33. Chaque pale 34 est préférentiellement en forme de cuillère dont la concavité est orientée face à des entrées de gaz d'échappement, ces entrées étant toutes orientées dans un même sens de rotation du rotor. Pour cela, le carter 5 possède plusieurs entrées de gaz d'échappement réparties à la périphérie de la zone de rotor. Chacune de ces entrées de gaz constitue une extrémité d'une conduite de gaz d'échappement du moteur 41a, 41b, 42a, 42b, 43a, 43b, 44a, 44b et chacune de ces conduites, comme cela est représenté sur la figure 2 est reliée à une chambre de combustion du moteur. Chaque entrée a un angle d'incidence pratiquement tangentiel par rapport au cylindre de révolution du moteur qui permet à la fois de diriger les bouffées de l'échappement vers les pales/ailettes de turbine permettant ainsi une augmentation de rendement à faible débit et permettant aussi d'assurer une faible perte de charge particulièrement pour les hauts débits de gaz brûlés transitant par la turbine. Les conduites d'échappement de gaz brûlés qui sont reliées à une même chambre de combustion sont préférentiellement montées en opposition de part et d'autre du rotor, et sont ainsi diamétralement opposées entre elles dans le carter et par rapport à l'axe de turbine 33. Ainsi les conduites 41a et 41b, qui sont opposées entre elles par rapport à l'axe de turbine sont reliées à 5 une même première chambre de combustion 2a. De même les conduites 42a, 42b sont opposées entre elles et reliées à une seconde chambre 2b, les conduites 43a, 43b sont opposées entre elles et reliées à une troisième chambre 2c, les conduites 44a, 44b sont 10 opposées entre elles et reliées à une quatrième chambre 2d. Comme représenté sur la figure 2, chaque liaison entre une conduite d'échappement et sa chambre correspondante se fait par l'intermédiaire d'un bloc 15 soupape Gl, Dl, G2, D2, G3, D3, G4, D4, dédié qui permet d'autoriser ou non le passage de gaz brûlés dans la conduite d'échappement. Ainsi selon le type de moteur on peut avoir des stratégies de gestion de turbine ou l'on décide d'envoyer simultanément les gaz brûlés d'une même 20 chambre de combustion dans les conduites de gaz reliées à cette chambre et donc dans la turbine. Le moteur de la figure 2 représente donc une turbine reliée aux chambres de combustion par des conduites d'échappement, cette turbine étant couplée à un 25 compresseur 74. Le comburant 75 arrive vers le compresseur pour y être comprimé et admis dans les chambres et les gaz brûlés résultant de la combustion dans les chambres sont acheminés vers la turbine par les conduites d'échappement et sont finalement évacués sous 30 la forme de gaz 76. La présente invention est particulièrement indiquée pour améliorer les performances des moteurs ayant des périodes dans leurs cycles de fonctionnement où des gaz d'échappement de plusieurs chambres s'échappent en même temps. Cette caractéristique permet d'avoir une continuité d'alimentation de la turbine, tout en exploitant l'effet de bouffée (pulsion de pression). Ainsi, l'invention est particulièrement adaptée aux moteurs ayant au moins quatre cylindres et disposant préférentiellement de deux conduites d'échappement par cylindre ou chambre de combustion. Dans un mode particulier de l'invention la liaison entre une chambre et la turbine est assurée par une canalisation dont au moins l'extrémité côté turbine se subdivise en deux parties pour séparer les gaz d'échappement provenant d'une même chambre en deux veines de gaz introduites sur des côtés opposés du rotor. Dans tous les cas, on fait préférentiellement en sorte que les conduites aient des longueurs identiques entre elles de façon que le temps de passage d'un flux de gaz brûlés au travers des conduites soit sensiblement le même pour toutes les conduites favorisant ainsi l'équilibre dynamique de la turbine. Pour les mêmes raisons en fera préférentiellement en sorte que les longueurs respectives des conduites reliées à une même chambre soient les mêmes et que les pertes de charges induites par ces conduites respectives soient sensiblement identiques entre elles. Préférentiellement, on associe chaque conduite d'échappement à un canal de contournement dédié appartenant à des moyens de contournement de la turbine. Ces moyens de contournement 7 permettent de contrôler pour chaque conduite le flux de gaz d'échappement transitant vers la turbine. Un exemple de moyen de contournement est par exemple représenté sur les figures 3a, 3b, ce moyen de contournement est composé d'une conduite principale 72 qui se subdivise en une conduite d'échappement 41a et en une conduite d'évacuation libre 73. La subdivision de la conduite principale 72 est telle que les conduites de déviation libre 73 et d'échappement 41a, à l'endroit de la subdivision soient pratiquement tangentielles entre elles. Cette caractéristique favorise le prélèvement d'une portion de gaz d'échappement dans la conduite d'échappement ce qui permet de réduire la perte de charge et d'énergie induite par le moyen de contournement. Afin de favoriser le passage de gaz d'échappement, vers l'une ou l'autre des conduites d'échappement 41a ou d'évacuation libre 73, un volet d'obturation de conduite 71 est monté mobile face à la conduite d'échappement, entre une position de contournement de turbine (comme sur la figure 3a) et une position de routage vers la turbine (comme sur la figure 3b). Préférentiellement on fera en sorte que pour les moteurs ayant plus de quatre chambres de combustion, on ait une turbine ayant deux fois plus d'entrées de gaz d'échappement que de chambre de combustion, les entrées étant ainsi espacées entre elles d'une valeur angulaire alpha, avec alpha = 360 /(nombre de chambres de combustion du moteur * 2). Préférentiellement, chacune des conduites d'échappement 41a, 41b à 44a, 44b, est conformée pour avoir une extrémité s'enroulant en spirale autour du rotor. Il est à noter que l'invention n'est pas limitée aux applications sur moteurs à essence mais peut être aussi appliquée aux moteurs Diesel et peut fonctionner avec une large gamme de taux de détente des gaz d'échappement. Revendications 1) Partie de moteur à explosion (1) comportant : - au moins une chambre de combustion (2a, 2b, 2c, 2d) ; - une turbine (3) dotée d'un rotor (31) tournant à l'intérieur d'une zone de rotor (32) selon un axe de turbine (33), le rotor possédant des pales d'entrainement du rotor (34) - des conduites d'échappement de gaz d'échappement (41a, 41b, 42a, 42b, 43a, 43b, 44a, 44b) provenant d'une ou plusieurs chambre(s) de combustion (2a, 2b, 2c, 2d), lesdites conduites d'échappement étant reliées à ladite turbine de telle manière que les gaz brûlés transitant par ces conduites d'échappement débouchent dans la zone de rotor et soient dirigés vers le rotor afin de l'entraîner à rotation selon l'axe de turbine, caractérisée en ce que les conduites d'échappement débouchent dans la zone de rotor en des endroits angulairement répartis autour de l'axe de turbine et distants entre eux. 2) Partie selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone de rotor est limitée à sa périphérie par un carter (5), le rotor étant placé dans ce carter. 3) Partie selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que certaines des conduites d'échappement sont reliées à une même chambre et débouchent dans la zone de rotor en des endroits diamétralement opposés entre eux par rapport audit axe de turbine. 4) Partie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurschambres de combustion et en ce que chaque chambre de combustion est reliée à ladite zone de rotor par au moins deux conduites d'échappement dédiées à cette chambre et en ce que les conduites d'échappement dédiées à l'échappement de gaz brûlés d'une même chambre débouchent dans la zone de rotor en des endroits diamétralement opposés entre eux par rapport audit axe de turbine. 5) Partie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les conduites d'échappement débouchent dans la zone de rotor en des endroits angulairement équirépartis autour de l'axe de turbine. 6) Partie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle possède au moins deux conduites d'échappement reliant une même chambre à ladite turbine et en ce que ces conduites d'échappement ont une longueur de conduite propre, ces longueurs étant identiques entre elles. 7) Partie selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs chambres de combustion reliées à ladite turbine par lesdites conduites d'échappement et en ce que ces conduites ont des longueurs propres sensiblement identiques entre elles. 8) Partie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle possède des soupapes d'échappement (Gl, Dl, G2, D2, G3, D3, G4, D4) adaptées pour contrôler sélectivement le passage de gaz d'échappement entre une chambre de combustion et la ou les conduites d'échappement qui y sont reliées. 9) Partie selon la revendication 8, caractérisée en ce que lorsque plusieurs conduites d'échappement sont reliées à une même chambre de combustion, alors ladite chambre possède autant de soupapes d'échappement que deconduites d'échappement et en ce que chaque soupape d'échappement est disposée pour contrôler sélectivement le passage de gaz brûlés de la chambre vers une seule desdites conduites d'échappement reliées à cette chambre de combustion. 10) Partie selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de contournement (7) mobiles entre une configuration de contournement de turbine où les gaz brûlés sont orientés pour s'échapper sans transiter par la turbine et une configuration de routage vers la turbine où les gaz brûlés sont orientés pour transiter par la turbine.