Brevet FR2932847A1 — publié le 20091225

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE EQUIPE D'UN TURBOCOMPRESSEUR DE SURALIMENTATION [000i ~ La présente invention concerne un moteur à combustion interne équipé d'au moins un turbocompresseur de suralimentation. [0002] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des véhicules automobiles à moteur turbocompressé, notamment en ce qui concerne le montage des turbocompresseurs sur le moteur. [0003] D'une manière générale, les moteurs à combustion interne comprennent un carter cylindre et une culasse fixée sur le carter cylindre. La culasse communique à l'avant du moteur avec un répartiteur d'admission, extérieur à la culasse, chargé de distribuer à travers les soupapes d'admission l'air nécessaire à la combustion du carburant dans les différentes chambres de combustion du moteur. A l'inverse, un collecteur d'échappement, également extérieur à la culasse et disposé à l'arrière du moteur, est chargé de recueillir à travers les soupapes d'échappement les gaz sortant des chambres de combustion pour les évacuer à l'extérieur du véhicule en passant éventuellement par un catalyseur de post- traitement anti-pollution. [0004] Lorsque le moteur est équipé d'un turbocompresseur, ce dernier est le plus souvent monté à l'arrière du moteur, un conduit d'échappement amenant les gaz provenant du collecteur d'échappement à la turbine du turbocompresseur. L'air comprimé sortant du compresseur du turbocompresseur rejoint le circuit d'admission vers l'avant du moteur au moyen d'un conduit d'admission contournant la culasse par l'extérieur. Si un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS) est présent sur la ligne d'admission en amont du répartiteur d'admission, le conduit d'admission transportant l'air comprimé est relié à l'entrée du refroidisseur, la sortie du refroidisseur étant raccordée à l'entrée du répartiteur d'admission. En l'absence de refroidisseur d'air de suralimentation, le conduit d'admission est directement relié à l'entrée du répartiteur d'admission. [0005] Cependant, cette solution connue pour le montage du turbocompresseur sur la culasse du moteur présente l'inconvénient de nécessiter la mise en place d'un conduit d'admission extérieur à la culasse entre le compresseur du turbocompresseur et le répartiteur d'admission, éventuellement via le refroidisseur de suralimentation. On peut alors facilement constater qu'une telle architecture entraîne une augmentation sensible de l'encombrement hors tout du moteur [0006 ] Aussi, un but de l'invention est de proposer une solution de montage d'un turbocompresseur sur la culasse d'un moteur à combustion interne qui permettrait d'éviter une telle augmentation des dimensions du moteur. [0007 Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce à un moteur à combustion interne équipé d'au moins un turbocompresseur de suralimentation, io comprenant un carter cylindre et une culasse fixée sur ledit carter cylindre, remarquable en ce que ledit moteur comprend un répartiteur d'admission intégré à ladite culasse et un conduit d'admission s'étendant à l'intérieur de la culasse à partir d'un orifice d'entrée d'admission raccordé au compresseur du turbocompresseur, ledit conduit d'admission étant destiné à alimenter ledit répartiteur d'admission en air de is suralimentation. [0008 Ainsi, on comprend qu'en faisant passer le conduit d'admission à l'intérieur de la culasse et en intégrant à cette dernière le répartiteur d'admission, on réalise un gain important en encombrement auquel s'ajoute une réduction de la masse moteur et du nombre de pièces et d'interfaces. Il en résulte une amélioration de la qualité, au 20 niveau de l'étanchéité en particulier et une réduction des coûts. [0009 ] On notera également que cette disposition intégrée à la culasse des principaux composants du circuit d'admission conduit à une réduction des volumes de gaz entre le moteur et le turbocompresseur du côté admission, entraînant une réduction des temps de réponse du turbocompresseur et l'amélioration des 25 transitoires. [0010 ] En l'absence de refroidisseur d'air de suralimentation (RAS), l'invention prévoit que ledit conduit d'admission est raccordé au répartiteur d'admission à l'intérieur de la culasse. [0011 ] Dans le cas contraire, ledit conduit d'admission débouche hors de la culasse par un orifice de sortie raccordé à une entrée d'un refroidisseur d'air de suralimentation, le moteur comprenant en outre un conduit d'admission d'air de suralimentation refroidi s'étendant, à l'intérieur de la culasse, entre un orifice d'entrée d'air de suralimentation refroidi raccordé à une sortie dudit refroidisseur d'air de suralimentation et le répartiteur d'admission. [0012] Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le compresseur dudit turbocompresseur est raccordé à la culasse au moyen d'une première bride de fixation disposée à une extrémité d'une tubulure de sortie dudit compresseur, ladite Io première bride de fixation étant appliquée contre une première interface aménagée sur la culasse autour dudit orifice d'entrée d'admission. [0013] Cette première interface peut être simplement une zone plane réalisée à cet effet à l'arrière de la culasse. L'encombrement du moteur se trouve ainsi encore réduit puisque le compresseur peut alors être fixé directement sur l'interface de la is culasse par la bride de fixation de sa tubulure de sortie. [0014] De manière à diminuer l'encombrement du moteur du côté échappement, il est prévu par l'invention que ledit moteur comprend un collecteur d'échappement intégré à ladite culasse et un conduit d'échappement s'étendant à l'intérieur de la culasse entre ledit collecteur d'échappement et un orifice de sortie d'échappement 20 raccordé à la turbine du turbocompresseur. En particulier, la turbine dudit turbocompresseur est raccordée à la culasse au moyen d'une deuxième bride de fixation disposée à une extrémité d'une tubulure d'entrée de ladite turbine, ladite deuxième bride de fixation étant appliquée contre une deuxième interface aménagée sur la culasse autour dudit orifice de sortie d'échappement. 25 [0015] Cette deuxième interface peut également être une zone plane réalisée à l'arrière de la culasse. De préférence, elle est choisie coplanaire à la première interface d'appui prévue pour la bride de fixation de la tubulure de sortie du compresseur du turbocompresseur. [0016] L'intégration du collecteur d'échappement à la culasse procure des avantages 30 équivalents à celle des composants d'admission, notamment le répartiteur et le conduit d'admission, concernant l'encombrement, la masse, le nombre de pièces, la qualité, le coût et le temps de réponse, auxquels vient s'ajouter un autre avantage, à savoir celui d'augmenter l'efficacité du catalyseur de post-traitement situé sur la sortie des gaz d'échappement de la turbine du turbocompresseur. En effet, la réduction de la masse et celle du nombre de pièces contribuent à diminuer l'inertie thermique et les pertes par conduction entre les soupapes et le catalyseur, ce qui améliore le temps de mise en température de ce dernier et donc son efficacité. [0017] On notera que la rigidité ainsi obtenue pour la fixation du turbocompresseur au moteur présente un grand intérêt en termes de niveau acoustique et de tenue aux vibrations. [0018] D'autres aspects concernant le fonctionnement du turbocompresseur peuvent être pris en compte par l'invention dans un même souci de simplification des connexions au moteur, de réduction de l'encombrement, de la masse, du nombre de pièces et du coût, et d'amélioration de la qualité notamment au niveau de l'étanchéité. [0019] C'est le cas en particulier du circuit de lubrification des divers paliers du turbocompresseur. [0020] A cet égard, l'invention propose que le turbocompresseur comporte une tubulure d'entrée d'huile de lubrification communiquant à travers une troisième interface aménagée sur la culasse avec un orifice de sortie d'huile de lubrification provenant d'une rampe d'alimentation en huile de paliers d'un arbre à cames situé dans la culasse. [0021] Cette troisième interface peut être également coplanaire avec les deux premières relatives à la sortie du compresseur et l'entrée de la turbine. [0022] S'agissant de la sortie du circuit de lubrification, plusieurs solutions sont possibles. [0023] Selon une première solution, le turbocompresseur comporte une tubulure de sortie d'huile de lubrification communiquant à travers ladite troisième interface avec un orifice d'entrée d'huile de lubrification dans la culasse. [0024] Selon une deuxième solution, ladite deuxième bride de fixation étant également appliquée contre une interface aménagée sur le carter cylindre, le turbocompresseur comporte une tubulure de sortie d'huile de lubrification communiquant à travers ladite deuxième bride de fixation avec un orifice d'entrée d'huile de lubrification dans ledit carter cylindre. [0025] Enfin, selon une troisième solution, le turbocompresseur comporte une tubulure de sortie d'huile de lubrification reliée par un conduit extérieur à un bac à huile du carter cylindre du moteur. [0026] Concernant maintenant le refroidissement du turbocompresseur, l'invention Io prévoit que ladite deuxième bride de fixation étant également appliquée contre une interface aménagée sur le carter cylindre, le turbocompresseur comporte une tubulure d'entrée de fluide de refroidissement communiquant à travers ladite deuxième bride de fixation avec un orifice de sortie de fluide de refroidissement provenant dudit carter cylindre. 15 [0027] Deux alternatives peuvent être envisagées pour la sortie du fluide de refroidissement. [0028] Selon une première alternative, le turbocompresseur comporte une tubulure de sortie de fluide de refroidissement communiquant à travers ladite première interface avec un orifice d'entrée de fluide de refroidissement dans la culasse. 20 [0029] Selon une deuxième alternative, le turbocompresseur comporte une tubulure de sortie de fluide de refroidissement reliée par un conduit extérieur au circuit de refroidissement du moteur. [0030] Un autre solution pour la circulation du fluide de refroidissement consiste en ce que le turbocompresseur comporte une tubulure d'entrée de fluide de 25 refroidissement reliée par un conduit extérieur au circuit de refroidissement du moteur, et une tubulure de sortie de fluide de refroidissement communiquant à travers ladite première interface avec un orifice d'entrée de fluide de refroidissement dans la culasse. [0031 ] Par ailleurs, le moteur est avantageusement conçu de manière telle qu'il existe des zones métalliques de contact entre le moteur (par exemple au niveau de la culasse ou du carter cylindre) et le turbocompresseurs, zones qui vont permettre de drainer des calories du turbocompresseur chaud vers des zones du moteur, qui bénéficient pour leur part d'un système de refroidissement. Ainsi, on évite des problèmes de cokéfaction d'huile de lubrification, en particulier au niveau des paliers de l'axe des roues compresseur /turbine du turbo . [0032 ] [0033 ] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre Io d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. � La figure 1 est un schéma en vue de dessus d'un moteur à combustion interne équipé d'un turbocompresseur. � La figure 2 est un schéma en vue de côté du moteur à combustion interne de la ls figure 1. � La figure 3 est un schéma en vue de côté d'une variante du moteur des figures 1 et 2 incluant un refroidisseur d'air de suralimentation. � La figure 4 un schéma en vue de côté du moteur à combustion interne des figures 1 et 2 comportant un circuit de circulation d'huile de lubrification. 20 � La figure 5 un schéma en vue de côté du moteur à combustion interne des figures 1 et 2 comportant une variante du circuit de circulation d'huile de lubrification de la figure 4. [0034 ] La figure 6 un schéma en vue de côté du moteur à combustion interne des figures 1 et 2 comportant un circuit de circulation de liquide de refroidissement. 25 [0035] Le moteur à combustion interne représenté sur les schémas des figures 1 et 2 comporte une culasse 10 et un carter cylindre 20. Dans l'exemple proposé sur ces figures, le carter cylindre comprend deux cylindres 21a, 21b communiquant respectivement avec deux chambres de combustion 11 a, 11 b de la culasse 10. L'air d'admission est introduit dans les chambres de combustion au moyen de soupapes 12a, 12b d'admission et les gaz produits dans ces chambres sont évacués par les soupapes 13a, 13b d'échappement. [0036 ] Le moteur montré aux figures 1 et 2 comporte en outre un turbocompresseur 30 de suralimentation comprenant une turbine 31 mise en rotation par le flux des gaz provenant des chambres 11 a, 11 b de combustion à travers les soupapes 12a, 12b d'échappement et pénétrant dans la turbine 31 par une tubulure 311 d'entrée. Les Io gaz d'échappement sont ensuite évacués vers l'extérieur par une tubulure 312 de sortie en traversant éventuellement un catalyseur de post-traitement, non représenté sur les figures. [0037] La turbine 31 entraîne à son tour un compresseur 32 qui aspire de l'air atmosphérique par une tubulure 321 d'entrée, le comprime et l'introduit dans le circuit is d'admission du moteur par une tubulure 322 de sortie. [0038 ] Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, le circuit d'admission du moteur comprend un répartiteur 14a d'admission intégré à la culasse 10, alimenté en air de suralimentation par un conduit 15a d'admission qui s'étend à l'intérieur de la culasse 10 à partir d'un orifice 16a d'entrée raccordé à la tubulure 322 de sortie du 20 compresseur 32 du turbocompresseur 30. [0039 ] Dans l'exemple de réalisation montré aux figures 1 et 2, le conduit 15a d'admission est raccordé au répartiteur 14a d'admission à l'intérieur de la culasse 10. En d'autres termes, le circuit d'admission en air de suralimentation est entièrement intégré à la culasse 10. 25 [0040 ] La figure 3 illustre une variante de réalisation dans laquelle le conduit 15a d'admission débouche hors de la culasse 10 par un orifice 17a de sortie raccordé à une entrée d'un refroidisseur 40 d'air de suralimentation (RAS). Un conduit 18 d'admission d'air de suralimentation refroidi s'étend à l'intérieur de la culasse 10 depuis un orifice 17b d'entrée raccordé à une sortie du refroidisseur 40 jusqu'au 30 répartiteur 14a d'admission. [0041 ] Comme le montre l'ensemble des figures, le compresseur 32 du turbocompresseur 30 est raccordé à la culasse 10 au moyen d'une première bride 323 de fixation disposée à l'extrémité de la tubulure 322 de sortie du compresseur. La bride 323 de fixation est directement appliquée contre une interface 19a plane aménagée sur la culasse autour de l'orifice 16a d'entrée d'admission. [0042] On peut voir également sur les figures que le moteur comprend un collecteur 14b d'échappement intégré à la culasse 10 et un conduit 15b d'échappement qui s'étend à l'intérieur de la culasse entre le collecteur 14b et un orifice 16b de sortie d'échappement raccordé à la tubulure 311 d'entrée de la turbine 31 du Io turbocompresseur 30. [0043] Plus précisément, la turbine 31 est raccordée à la culasse au moyen d'une deuxième bride 313 de fixation disposée à l'extrémité de la tubulure 311 d'entrée de la turbine. La bride 313 de fixation est directement appliquée contre une deuxième interface 19b plane aménagée sur la culasse 10 autour de l'orifice 16b de sortie is d'échappement. [0044] De manière à pouvoir faciliter le montage du turbocompresseur 30 directement sur la culasse 10 par les brides 313, 313 de fixation, les première 19a et deuxième 19b interfaces planes sont de préférence situés dans des plans parallèles, voire confondus comme cela apparaît sur les figures. 20 [0045] On vient de décrire en détail un certain nombre de dispositions visant à une intégration aussi complète que possible de la fonction de turbocompression à l'intérieur même de la culasse du moteur, ceci dans le but de réduire l'encombrement et la masse du moteur ainsi que le nombre de pièces à utiliser et le nombre d'interfaces à réaliser. Ces dispositions concernent essentiellement les circuits 25 d'admission et d'échappement par l'implantation dans la culasse, d'une part, du répartiteur d'admission et du conduit d'admission, et, d'autre part, du collecteur d'échappement. [0046] Cette intégration peut également s'étendre à d'autres fonctions liées au fonctionnement du turbocompresseur, comme les fonctions de lubrification des 30 paliers et de refroidissement. [0047 ] Concernant la lubrification des paliers du turbocompresseur 30, la figure 4 montre un montage dans lequel une tubulure 331 d'entrée d'huile de lubrification communique à travers une troisième interface 19c aménagée sur la culasse 10 avec un orifice 16c de sortie d'huile provenant d'une rampe 50 d'alimentation en huile pour la lubrification des paliers d'un arbre à cames, non représenté, destiné à commander les soupapes 12a, 12b d'admission et 13a, 13b d'échappement. A noter qu'il serait également possible de faire communiquer la tubulure 331 à tout autre zone de la culasse contenant de l'huile sous pression. [0048] Comme l'indique la figure 4, la sortie de l'huile de lubrification du Io turbocompresseur 30 est obtenue par une tubulure 332 de sortie communiquant à travers la troisième interface 19c avec un orifice 16d d'entrée d'huile dans la culasse 10, à proximité d'un puits de descente d'huile vers le carter cylindre 20. [0049] Une autre solution pour le retour d'huile, représentée sur la figure 5, consiste à faire communiquer la tubulure 332 de sortie d'huile de lubrification avec un orifice 15 26a d'entrée d'huile dans le carter cylindre 20, relié à un puits de descente d'huile existant dans le carter. L'extrémité de la tubulure 332 de sortie peut être raccordée à la deuxième bride 313 de fixation, laquelle s'applique alors également sur une interface 29 du carter cylindre 20 prolongeant la deuxième interface 19b de la culasse 10. 20 [0050] Selon une troisième solution, non représentée, la tubulure 332 de sortie d'huile de lubrification est reliée par un conduit extérieur à un bac à huile située en bas du carter cylindre 20. [0051] Indépendamment ou en combinaison avec le circuit de circulation d'huile, il peut être prévu un circuit de circulation de liquide de refroidissement du 25 turbocompresseur 20 comprenant, dans l'exemple de la figure 6, une tubulure 341 d'entrée de fluide de refroidissement communiquant à travers la deuxième bride 313 de fixation avec un orifice 26b de sortie de fluide de refroidissement provenant d'un noyau de liquide du carter cylindre 20. Comme dans le cas de la figure 5, l'extrémité de la tubulure 341 d'entrée peut être raccordée à la deuxième bride 313 de fixation, 30 laquelle s'applique alors également sur l'interface 29 du carter cylindre 20 prolongeant la deuxième interface 19b de la culasse 10. Io [0052] Conformément à la figure 6, le retour de liquide de refroidissement peut être effectué au moyen d'une tubulure 342 de sortie communiquant à travers la première interface 19a et la bride 323 de fixation avec un orifice 16e d'entrée de fluide de refroidissement dans la culasse 10. s [0053] On peut également envisager que la tubulure 342 de sortie de liquide de refroidissement soit reliée par un conduit extérieur, non représenté, au circuit de refroidissement du moteur, à l'entrée du boîtier de sortie d'eau (BSE) ou en point quelconque du circuit côté culasse. [0054] Inversement, l'entrée du fluide de refroidissement peut être réalisée au Io moyen d'une tubulure reliée au circuit de refroidissement, la tubulure 342 de sortie étant disposée conformément à la figure 6. 15 REVENDICATIONS1. Moteur à combustion interne équipé d'au moins un turbocompresseur (30) de suralimentation, comprenant un carter cylindre (20) et une culasse (10) fixée sur ledit carter cylindre, caractérisé en ce que ledit moteur comprend un répartiteur (14a) d'admission intégré à ladite culasse (10) et un conduit (15a) d'admission s'étendant à l'intérieur de la culasse à partir d'un orifice (16a) d'entrée d'admission raccordé au compresseur (32) du turbocompresseur (30), ledit conduit (15a) d'admission étant destiné à alimenter ledit répartiteur (14a) d'admission en air de suralimentation. Io 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, dans lequel ledit conduit (15a) d'admission est raccordé au répartiteur (14a) d'admission à l'intérieur de la culasse (10). 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, dans lequel ledit conduit (15a) d'admission débouche hors de la culasse (10) par un orifice (17a) de sortie is raccordé à une entrée d'un refroidisseur (40) d'air de suralimentation, le moteur comprenant en outre un conduit (18) d'admission d'air de suralimentation refroidi s'étendant, à l'intérieur de la culasse (10), entre un orifice (17b) d'entrée d'air de suralimentation refroidi raccordé à une sortie dudit refroidisseur (40) d'air de suralimentation et le répartiteur (14a) d'admission. 20 4. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le compresseur (32) dudit turbocompresseur (30) est raccordé à la culasse (10) au moyen d'une première bride (323) de fixation disposée à une extrémité d'une tubulure (322) de sortie dudit compresseur, ladite première bride de fixation étant appliquée contre une première interface (19a) aménagée sur la culasse 25 (10) autour dudit orifice (16a) d'entrée d'admission. 5. Moteur à combustion interne selon la revendication 4, dans lequel ledit moteur comprend un collecteur (14b) d'échappement intégré à ladite culasse (10) et un conduit (15b) d'échappement s'étendant à l'intérieur de la culasse entre ledit collecteur d'échappement et un orifice (16b) de sortie d'échappement raccordé à la 30 turbine (31) du turbocompresseur (30). 6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, dans lequel la turbine (31) dudit turbocompresseur (30) est raccordée à la culasse (10) au moyen d'une deuxième bride (313) de fixation disposée à une extrémité d'une tubulure (311) d'entrée de ladite turbine, ladite deuxième bride de fixation étant appliquée contre une deuxième interface (19b) aménagée sur la culasse (10) autour dudit orifice (16b) de sortie d'échappement. 7. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel le turbocompresseur (30) comporte une tubulure (331) d'entrée d'huile de lubrification communiquant à travers une troisième interface (19c) aménagée sur la culasse (10) avec un orifice (16c) de sortie d'huile de lubrification provenant d'une zone de la culasse contenant de l'huile sous pression. 8. Moteur à combustion interne selon la revendication 7, dans lequel le turbocompresseur (30) comporte une tubulure (332) de sortie d'huile de lubrification communiquant à travers ladite troisième interface (19c) avec un orifice (16d) d'entrée d'huile de lubrification dans la culasse (10). 9. Moteur à combustion interne selon la revendication 7 dépendante de la revendication 6, dans lequel, ladite deuxième bride (313) de fixation étant également appliquée contre une interface (29) aménagée sur le carter cylindre (20), le turbocompresseur (30) comporte une tubulure (322) de sortie d'huile de lubrification communiquant à travers ladite deuxième bride de fixation avec un orifice (26a) d'entrée d'huile de lubrification dans ledit carter cylindre (20). 10. Moteur à combustion interne selon la revendication 7, dans lequel le turbocompresseur comporte une tubulure de sortie d'huile de lubrification reliée par un conduit extérieur à un bac à huile du carter cylindre du moteur. 11. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dépendantes de la revendication 6, dans lequel ladite deuxième bride (313) de fixation étant également appliquée contre une interface (29) aménagée sur le carter cylindre (20), le turbocompresseur (30) comporte une tubulure (341) d'entrée de fluide de refroidissement communiquant à travers ladite deuxième bride de fixation avec un orifice (26b) de sortie de fluide de refroidissement provenant dudit carter cylindre (20). 12. Moteur à combustion interne selon la revendication 11, dans lequel le turbocompresseur (30) comporte une tubulure (342) de sortie de fluide de refroidissement communiquant à travers ladite première interface (19a) avec un orifice (16e) d'entrée de fluide de refroidissement dans la culasse (10). 13. Moteur à combustion interne selon la revendication 11, dans lequel le turbocompresseur comporte une tubulure de sortie de fluide de refroidissement reliée par un conduit extérieur au circuit de refroidissement du moteur. 14. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, dans lequel le turbocompresseur comporte une tubulure d'entrée de fluide de Io refroidissement reliée par un conduit extérieur au circuit de refroidissement du moteur, et une tubulure (342) de sortie de fluide de refroidissement communiquant à travers ladite première interface (19a) avec un orifice (16e) d'entrée de fluide de refroidissement dans la culasse (10). 15. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 4 à 11, is dans lequel sont ménagées des zones métalliques de contact entre une partie refroidie du moteur (culasse ou bloc moteur) et le turbocompresseur. 20