Brevet FR2942850A1 — publié le 20100910

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE SURALIMENTE L'invention concerne un moteur à combustion interne à pistons alternatifs, suralimenté par un groupe de turbocompression. Les moteurs alternatifs à combustion interne émettent un flux très pulsé de gaz brûlés généré par les vidanges successives des cylindres. Quand le moteur est suralimenté par un ou des turbocompresseurs, il est avantageux d'exp oiter les pulsations de pression régnant dans le collecteur d'échappement pour augmenter le taux de détente des turbines. Néanmoins les pulsations de pression ne doivent pas se produire quand un cylindre est en cours de vidange, sous peine d'y réintroduire des gaz brûlés et de dégrader le rendement volumétrique du moteur. Pour éviter ces inconvénients, les cylindres sont répartis en groupes dans lesquels les phases d'échappement n'interfèrent pas entre elles. Chaque groupe est vidangé par un collecteur d'échappement relié à une entrée de turbine. C'est pour cette raison que les moteurs à quatre temps comportent des groupes de trois cylindres au plus. Les moteurs à 6 cylindres comprennent en général deux groupes de 3 cylindres et les moteurs à 4 cylindres deux groupes de 2 cylindres. Afin de limiter le nombre des turbines et d'augmenter la fréquence des pulsations qui alimentent chaque turbine, on a développé des turbines à plusieurs entrées de gaz dont chacune alimente un secteur du rotor de turbine à une pression différente. Cette disposition génère des écoulements parasites oui dégradent le rendement de la turbine. Pour éviter ces inconvénients, on associe fréquemment les moteurs à 4 ou 6 cylindres à des turbines radiales dites � twin scroll � dont le rotor est alimenté sur la totalité de sa circonférence par deux volutes jumelles mitoyennes reliées chacune à un groupe de cylindres via une tuyère convergente qui accélère les gaz jusqu'à la vitesse périphérique du rotor. Cette disposition présente l'inconvénient que la vitesse tangentielle des gaz à l'entrée du ro':or varie beaucoup avec les pressions d'alimentation des deux volutes. Pour remédier à ces inconvénients, l'invention propose un moteur alternatif à combustion interne suralimenté par un turbocompresseur dont le compresseur est entraîné par un rotor de turbine alimenté en gaz brûlés sur toute sa périphérie par une volute distributrice unique, ce moteur comportant deux groupes de cylindres vidangés par deux collecteurs d'échappement débitant respectivement dans l'une de deux tuyères convergentes parallèles à la direction d'entrée de la volute de la turbine et dont les cols sont mitoyens et ont des sections égales , caractérisé en ce que la section des cols est égale à celle de l'entrée de la volute et en ce que les tuyères sont reliées à la volute par un canal conique convergent tangent à la volute, qui est un prolongement, en amont. des cols des tuyères et, en aval, de la section d'entrée de la volute. Conformément à l'invention, les deux écoulements pulsés convergent vers une seule volute distributrice similaire à celle des turbines à une seule entrée de gaz. Cette volute distributrice, dimensionnée pour le rotor, a une section d'entrée Sc (section critique). Elle est prolongée vers l'amont par un canal rectiligne qui lui est tangent et qui relie l'entrée de la volute de section Sc à la sortie de deux tuyères convergentes mitoyennes, de section au col Sc et d'axes sensiblement parallèles à celui du canal. Chacune de ces tuyères est alimentée par un collecteur d'échappement du moteur. La section du canal convergent décroît donc c'une valeur 2Sc à une valeur Sc. La paroi du canal est une surface conique s'appuyant d'une part sur l'entrée de la volute et d'autre part sur la sortie des deux tuyères. La longueur de ce canal est suffisante pour que l'écoulement issu de chaque tuyère rejoigne la volute avec une déviation minimale. _'avantage de cette configuration est de générer une vitesse des gaz dans la volute distributrice qui est peu dépendante des différences de pression dans les deux collecteurs. Dans les conditions d'alimentation extrêmes : - lorsque les deux tuyères sont alimentées à la même pression, les deux écoulements sont d'abord accélérés séparément jusqu'à une vitesse intermédiaire dans les tuyères jumelles puis se rejoignent dans le canal convergent pour l'accélération finale jusqu'à la vitesse périphérique du rotor ; - lorsqu'une seule tuyère est alimentée, l'autre étant occultée, l'écoulement unique est accéléré dans sa tuyère jusqu'à la vitesse périphérique du rotor pour constituer un jet de section Sc qui traverse à vitesse constante le canal convergent où la pression statique est sensiblement constante pour pénétrer dans la volute distributrice ; - lorsque les deux tuyères sont alimentées à des pressions différentes, les deux débits s'ajustent pour égaler les pressions statiques aux cols des deux tuyères et les deux jets résultants s'accélèrent en se mélangeant dans le canal convergent pour atteindre la vitesse périphérique du rotor à l'entrée de la volute distributrice. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - la turbine est du type à flux radial, - les cieux tuyères ont une paroi mitoyenne plane perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine, - les deux tuyères ont une paroi mitoyenne plane parallèle à l'axe de rotation de la turbine, - les tuyères sont de révolution et sont coaxiales au canal conique circulaire qui prolonge la tuyère annulaire extérieure pour rejoindre l'entrée de la volute, - la longueur du canal qui relie la sortie des tuyères à l'entrée de la volute est comprise entre 3 et 8 fois le diamètre de l'entrée de la volute, - la conicité du canal rectiligne prolonge celle de la volute et du col des tuyères. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation de l'invention à tuyères côte à côte, appliqué à un moteur à 6 cylindres en ligne ; - la figure 2 est une vue de la volute parallèlement à l'axe de la turbine ; - les figures 3 et 4 montrent deux coupes transversales du canal convergent selon les lignes A-A' et B-B' de la figure 1 ; - la figure 5 est une vue schématique d'un mode de réalisation de l'invention à tuyères coaxiales, appliqué à un moteur à 4 cylindres en ligne. On se réfère d'abord aux figures 1, 2 et 3 dans lesquelles la référence 1 désigne un moteur alternatif à quatre temps et à six cylindres en ligne répartis en deux groupes de 3 cylindres comme indiqué ci-dessus, qui comporte un collecteur d'admission 2 commun aux six cylindres et deux collecteurs d'échappement 3 reliés aux deux groupes de cylindres. Le collecteur d'admission 2 est relié à la sortie d'un compresseur d'air 10 entraîné par une turbine 7 alimentée en gaz brûlés par les deux collecteurs d'échappement 3. Chaque collecteur 3 est relié par l'une de deux tuyères convergentes mitoyennes 4 et par un canal convergent 9 à l'entrée 5 d'une volute distributrice 6 alimentant le rotor de la turbine 7 sur toute sa périphérie. Le col 8 de chaque tuyère 4 a une section débitante égale à la section d'entrée 5 de la volute 6. Le canal conique convergent 9 prolonge les deux tuyères 4 jusqu'à l'entrée 5 de la volute 6 tangentiellement à cette dernière. La section amont sensiblement rectangulaire et la section aval sensiblement circulaire du canal 9 sont représentées aux figures 3 et 4. La longueur du canal 9 doit être suffisante pour que le jet sortant de l'une des tuyères 4 rejoigne la section d'entrée 5 de la volute 6 avec une faible déviation et que les jets des deux tuyères puissent se mélanger avant de pénétrer dans la volute. En pratique, la longueur du canal 9 est comprise entre 3 et 8 fois le diamètre de la section 9 d'entrée de la volute, selon la place disponible. Une configuration coaxiale des tuyères 4 permet une longueur de canal inférieure à celle de la configuration côte à côte. On se réfère maintenant à la figure 5 dans laquelle on a utilisé les mêmes références que précédemment et qui montre un autre mode de réalisation de l'invention. Le moteur 1 de la figure 5 comprend quatre cylindres en ligne répartis en 30 un groupe de deux cylindres centraux et un groupe de deux cylindres d'extrémité, reliés respectivement à deux tuyères 4 de révolution coaxiales à l'axe d'entrée de la volute 6. Comme précédemment, les cols 8 des deux tuyères 4 ont une section égale à la section d'entrée 5 de la volute 6. Le canal conique circulaire 9 prolonge la tuyère extérieure 4 pour aboutir à l'entrée circulaire 5 de la volute distributrice 6 similaire à celle déjà décrite. L'avantage de cette configuration est une déviation presque nulle des jets de chaque tuyère et une surface de mélange importante entre les jets. Le fonctionnement de l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1 à 5. On rappelle d'abord que l'invention a pour but de détendre dans la même turbine deux écoulements générés par le vidage des cylindres de chacun des deux groupes, dont la pression totale varie périodiquement et qui sont en opposition de phase. Pour simplifier l'exposé, on se limitera à un moteur diesel à 6 cylindres équipé d'obturateurs conformément à la demande WO 2008/090273, qui génère dans chaque collecteur 3 une pulsation de pression sur 60 degrés de rotation de l'arbre moteur suivie d'une pression constante sur 180 degrés de rotation, les deux collecteurs étant déphasés de 120 degrés. Dans ce moteur, la turbine est alimentée pendant 60 degrés de rotation par une pulsation dans une tuyère et par une pression constante P dans l'autre tuyère puis pendant 60 degrés de rotation par la même pression constante P dans les deux tuyères. La situation à la crête de la pulsation qui se situe à 2P, est la suivante : le débit de gaz dans chaque tuyère va s'établir pour égaliser la pression statique aux deux cols. Le taux de détente dans la tuyère haute pression étant critique, la pression statique aux cols est égale à la pression constante P imposée par l'autre tuyère qui ne débite pas. La turbine est alors alimentée excluE;ivement par la tuyère haute pression avec une pression totale 2P. Le jet sonique émis par la tuyère haute pression traverse le canal 9 où la pression statique est constante et égale à p pour remplir la volute 6. Lorsque les deux tuyères sont alimentées à la même pression constante P, le flux dans chaque tuyère, égal à la moitié du flux de la turbine, subit une première accélération dans la tuyère puis rejoint l'autre flux pour subir une deuxième accélération dans le canal 9 avant de pénétrer dans la volute 6. Le débit de la turbine dans la première situation est contrôlé par le col 8 alors cue le débit de la turbine dans la seconde situation est contrôlé par la section 5 de même surface. Le rapport des débits est sensiblement celui des pressions génératrices et est donc égal à 2 Dans les situations intermédiaires où la pression dans un collecteur 3 est égale à p et la pression dans l'autre collecteur 3 est comprise entre P et 2P, le débit de chaque tuyère 4 s'ajuste pour que les pressions statiques aux deux cols 8 soient identiques. En aval des cols 8, les deux jets se mélangent en s'accélérant dans le canal conique convergent pour alimenter la volute 6 à une pression totale comprise entre celles des deux collecteurs 3 et fonction du rapport des débits des tuyères 4. 25 30 REVENDICATIONS1- Moteur alternatif à combustion interne suralimenté par un turbocompresseur dont le compresseur (10) est entraîné par un rotor de turbine (7) alimenté en gaz br:tlés sur toute sa périphérie par une volute distributrice unique (6), ce moteur comportant deux groupes de cylindres vidangés par deux collecteurs d'échappement (3) débitant respectivement dans l'une de deux tuyères convergentes (4) parallèles à la direction d'entrée de la volute (6) de la turbine et dont les cols (8) sont mitoyens et ont des sections égales, caractérisé en ce que la section des cols (8) des tuyères est égale à celle de l'entrée (5) de la volute ,16) et en ce que les tuyères (4) sont reliées à la volute par un canal conique convergent (9) tangent à la volute et qui est un prolongement, en amont, des cols (8) des tuyères et, en aval, de la section d'entrée (5) de la volute. 2- Moteur alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine (7) est du type à flux radial. 3- Moteur alternatif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux tuyères (4) ont une paroi mitoyenne plane perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine. 4- Moteur alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux tuyères (4) ont une paroi mitoyenne plane parallèle à l'axe de rotation de la turbine. 5- Moteur alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tuyères (4) sont de révolution et sont coaxiales au canal conique (9) qui prolonge la tuyère annulaire extérieure pour rejoindre l'entrée (5) de la volute (6). 6- Moteur alternatif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la longueur du canal (9) qui relie la sortie des tuyères (4) à l'entrée (5) de la volute est comprise entre 3 et 8 fois le diamètre de l'entrée de la volute. 7- Moteur alternatif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la conicité du canal rectiligne (9) prolonge celle de la volute (6) et du col des tuyères (4).