FR3037102B1 - Ensemble moteur turbocompresse a deux conduits d’echappement et vanne de regulation - Google Patents

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Abstract

L'invention porte sur un ensemble moteur (1) comportant une turbine (2) et un système d'échappement évacuant les gaz du moteur et comprenant un premier conduit (4) partant d'un premier collecteur (5) et un deuxième conduit (6) de décharge partant d'un second collecteur (7), la turbine (2) comportant un carter (2c) l'entourant et une roue de récupération d'énergie, le premier conduit (4) débouchant dans un passage principal de détente logeant la roue. Le deuxième conduit (6) débouche dans au moins une portion de dérivation (8) interne au carter (2c) contournant le passage principal de détente, le passage principal de détente et ladite au moins une portion de dérivation (8) se rejoignant à une face de sortie (2b) du carter (2c), le passage principal de détente comprenant, à l'intérieur de la turbine (2), une vanne de régulation du débit de gaz d'échappement le traversant.

Description

ENSEMBLE MOTEUR TURBOCOMPRESSE A DEUX CONDUITS D’ECHAPPEMENT ET VANNE DE REGULATION [0001] La présente invention concerne un ensemble moteur pour un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne, un turbocompresseur et un système d’échappement comprenant deux conduits d’échappement dont les deux prolongations à l’intérieur de la turbine se rejoignent dans la turbine. Une prolongation d’un des deux conduits d’échappement dit conduit d’échappement traverse la turbine en étant en échange d’énergie avec une roue de la turbine, une vanne de régulation étant placée dans cette prolongation tandis qu’une prolongation de l’autre des deux conduits dit conduit de décharge traverse la turbine mais en contournant la roue de la turbine.
[0002] Le système d’échappement d’un tel ensemble moteur est raccordé à une sortie du moteur turbocompressé, aussi appelé moteur suralimenté, pour une évacuation de gaz d’échappement issus de la combustion dans le moteur, ce moteur étant avantageusement mais pas uniquement un moteur à essence quatre temps.
[0003] La figure 1 montre un ensemble moteur à essence suralimenté selon l’état de la technique le plus proche décrit notamment dans le document WO-A-2009/105463. Un tel ensemble moteur est connu sous la dénomination VEMB, abréviation de l’appellation anglo-saxonne de « Valve Event Modulated Boost », traduite en français par suralimentation contrôlée par distribution moteur. Ce type d’ensemble moteur sera détaillé après la présentation générale d’un moteur suralimenté classique et d’un moteur équipé d’une ligne de recirculation des gaz d’échappement à l’admission du moteur, aussi appelée ligne RGE.
[0004] En se référant à la figure 1 pour une partie des éléments illustrés à cette figure, un moteur à combustion thermique comprend un carter cylindres muni d’au moins un cylindre, avantageusement de plusieurs cylindres et une entrée d’admission d’air ou collecteur d’admission d’air pour le mélange air essence dans chaque cylindre ainsi qu’une sortie de gaz d’échappement résultant de la combustion du mélange dans chaque cylindre. La sortie du moteur est reliée à un collecteur d’échappement 5 alimentant un conduit d’échappement 4, 9 évacuant les gaz d’échappement vers l’extérieur.
[0005] Le fait que deux collecteurs d’échappement 5, 7 avec chacun un conduit d’échappement associé 4, 6 soient montrés pour l’ensemble moteur à la figure 1 n’est pas applicable à tout ensemble moteur turbocompressé, un tel moteur ne comprenant généralement qu’un seul collecteur 5 et un seul conduit d’échappement 4, 9 qui passe par une turbine 2.
[0006] Le moteur turbocompressé comprend une turbine 2 et un compresseur 3. La turbine 2 est disposée en aval du collecteur 5 d’échappement dans le conduit d’échappement 4 tandis que le compresseur 3 est disposé en amont du collecteur d’admission d’air au moteur. La turbine 2 comprend une roue de turbine récupérant au moins partiellement une énergie cinétique créée dans les gaz d’échappement le traversant, l’organe rotatif ou roue de la turbine étant mis en rotation par les gaz d’échappement quittant le collecteur d’échappement. La turbine 2 entraîne le compresseur 3 en étant solidaire de celui-ci par un axe, le compresseur 3 étant traversé par de l’air frais destiné à alimenter en air le moteur, air que le compresseur 3 comprime.
[0007] A la sortie du compresseur 3, l’air qui est alors dénommé air de suralimentation est amené par la ligne d’alimentation en air vers un refroidisseur d’air de suralimentation 25 pour refroidir l’air sortant du compresseur 3. Sur cette ligne est aussi positionnée une vanne papillon 26 régulant le débit d’air dans le collecteur d’admission d’air du moteur formant l’entrée d’air du moteur.
[0008] Du côté de l’échappement de l’ensemble moteur 1, à la sortie de la turbine 2, les gaz d’échappement évacués du moteur pénètrent dans le conduit d’échappement 9 du véhicule automobile après avoir traversé la turbine 2 puis traversent des moyens de dépollution 10 des gaz d’échappement, par exemple un ou des catalyseurs, notamment d’oxydation, de réduction ou trois voies associés ou non avec un filtre à particules. Un système de réduction catalytique sélective ou système RCS peut aussi être prévu dans le conduit d’échappement 9.
[0009] Il est aussi fréquent de munir un ensemble moteur d’une ligne de recirculation des gaz d’échappement à l’admission d’air du moteur, aussi dénommée ligne RGE, une telle ligne étant référencée 11 à la figure 1. Il est en effet connu pour des moteurs thermiques à allumage commandé et à allumage par compression de faire recirculer les gaz d’échappement vers l’admission d’air du moteur thermique pour réduire les émissions d’oxydes d’azote. Un tel système est aussi connu sous l’acronyme anglo-saxon de EGR pour « Exhaust Gas recirculation >> ce qui signifie Recirculation des Gaz à l’Echappement.
[0010] Une ligne RGE 11 présente un piquage sur le conduit d’échappement pour prélever une partie des gaz d’échappement de ce conduit ainsi qu’un refroidisseur 23 des gaz d’échappement traversant cette ligne 11, ces gaz étant alors très chauds. La ligne
RGE 11 débouche sur l’admission d’air en amont du compresseur 3 qu’elle alimente. Une vanne 24 dite vanne RGE équipe la ligne RGE 11, avantageusement en aval du refroidisseur 23 RGE, afin d’ouvrir ou de fermer la circulation des gaz vers l’admission.
[0011] Pour tout type de ligne RGE 11, la recirculation des gaz d’échappement vers l’admission d’air du moteur thermique permet d’améliorer le rendement thermodynamique du moteur du fait de la réduction des transferts thermiques grâce à la réintroduction de gaz recyclés par la ligne RGE 11 dans le collecteur d’admission. Une telle recirculation peut permettre aussi une diminution de l’enrichissement lié à la température d’échappement et une diminution des pertes par pompage quand le moteur est associé à un turbocompresseur.
[0012] En ce qui concerne la diminution des pertes par pompage, ceci n’a pas donné entièrement satisfaction et les phénomènes de pompage perdurent toujours dans la turbine 2. Il a été proposé d’utiliser une soupape de décharge à l’intérieur de la turbine. Il a alors été proposé un système d’échappement pour un ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur à deux conduits d’échappement comme montré à la figure 1.
[0013] Le moteur à combustion thermique faisant partie de l’ensemble 1 dit à suralimentation contrôlée par distribution moteur présente au moins un cylindre, à la figure 1 trois cylindres. Chaque cylindre du moteur est muni d’une soupape d’admission et de deux soupapes d’échappement. Ces soupapes d’échappement sont associées sélectivement à un premier ou à un second passage de sortie dans un cylindre et ouvrent et ferment sélectivement leur passage associé.
[0014] Il en va de même pour la soupape d’admission associée à un passage d’entrée dans chaque cylindre. Les deux passages de sortie de chaque cylindre qui sont fermés et ouverts séquentiellement par leur soupape d’échappement associée débouchent sur un collecteur 5, 7 d’échappement différent alimentant chacun un conduit 4, 6 d’échappement dédié, les deux conduits 4, 6 d’échappement ne suivant pas le même parcours comme il va être détaillé ci-après. Le premier passage d’échappement de chaque cylindre est relié au premier collecteur 5 et le second passage d’échappement est relié au second collecteur 7.
[0015] Un ensemble moteur 1 dit à suralimentation contrôlée par distribution moteur comprend donc un premier conduit 4 dit d’échappement par la turbine 2 partant d’un premier collecteur 5 d’échappement et un deuxième conduit 6 dit de décharge partant d’un second collecteur 7 d’échappement, les collecteurs 5, 7 d’échappement étant reliés chacun respectivement à une des deux séries de premiers ou seconds passages d’échappement munies de leurs soupapes d’échappement fournies pour chaque cylindre.
[0016] Le premier conduit 4 aboutit à une face d’entrée de la turbine 2 du turbocompresseur en étant prolongé par un passage principal de détente à l’intérieur de la turbine 2 logeant une roue de turbine permettant de récupérer l’énergie cinétique contenue dans les gaz d’échappement le traversant. Le deuxième conduit 6 contourne la turbine 2 sans y pénétrer mais rejoint plus en aval de la turbine 2 un troisième conduit 9 connecté à une face de sortie de la turbine 2 pour l’évacuation des gaz d’échappement du passage principal de détente ayant été en échange d’énergie avec la roue de turbine, afin qu’il n’existe qu’un seul et unique conduit 9 d’échappement traversant des éléments de dépollution 10 placés en fin de système d’échappement. Il s’ensuit que, dans un tel ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur selon l’état de la technique, le deuxième conduit 6 n’a pas de prolongation pénétrant dans la turbine 2.
[0017] La fonction du premier conduit 4 dit conduit d’échappement par turbine est de permettre à un premier flux de gaz d’échappement de traverser la turbine 2 et son organe rotatif récupérateur d’énergie sous forme d’une roue pour fournir de la puissance au compresseur 3. La fonction du deuxième conduit 6 dit conduit de décharge et alimenté par un second collecteur 7 d’échappement, différent et indépendant du premier collecteur 5 d’échappement du premier conduit 4, est de permettre à un second flux de gaz d’échappement indépendant et différent du premier flux de contourner la turbine 2 et notamment sa roue et donc de décharger la turbine 2 du flux total de gaz d’échappement en diminuant le débit de gaz d’échappement la traversant par soustraction du second flux au flux total.
[0018] Ceci permet de décharger et/ou contrôler la puissance de la turbine, comme le ferait en condition de fonctionnement classique de régulation de la charge moteur une soupape de décharge, élément connu précédemment de l’état de la technique pour un moteur turbocompressé. Cela permet notamment d’éviter le phénomène de pompage du moteur consistant essentiellement à un retour des gaz chauds vers l'entrée d'air d’admission.
[0019] Pour un moteur turbocompressé classique, une soupape de décharge qui peut être interne ou externe à la turbine sert à limiter la pression des gaz d’échappement sur la roue de la turbine du turbocompresseur en ouvrant une dérivation des gaz d’échappement afin qu’ils ne passent plus par la turbine et sa roue. Une limitation de la vitesse de la roue de la turbine est donc obtenue, ce qui limite aussi la vitesse de rotation de la roue prévue dans le compresseur en étant solidaire de la roue de la turbine, d’où aussi une limitation de la compression de l’air d’admission.
[0020] Une soupape de décharge associée à une turbine pour la régulation du flux de gaz d’échappement la traversant n’est plus nécessaire avec un ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur présentant deux conduits d’échappement partant chacun d’un collecteur d’échappement respectif.
[0021] Ainsi, un tel ensemble moteur permet d’améliorer l’efficacité du cycle moteur par la réduction du pompage moteur pendant la phase d’échappement d’un cycle quatretemps, ce qui a des répercussions favorables sur la consommation du moteur. Un meilleur contrôle de l’énergie récupérée par la turbine est donc effectué, ce qui implique une meilleure gestion de la charge du moteur.
[0022] L’inconvénient d’un tel ensemble moteur est la longueur du deuxième conduit 6 dit conduit de décharge, ce qui complexifie l’intégration du système d’échappement d’un tel ensemble sur la façade échappement du moteur, l’espace disponible étant très réduit sur cette façade.
[0023] Ceci faisant, il est obtenu après jonction du deuxième conduit 6 avec le troisième conduit d’échappement 9 évacuant les gaz d’échappement de la turbine 2 une température plus élevée des gaz d’échappement que celle des gaz d’échappement passant uniquement par la turbine 2, le flux de gaz d’échappement traversant le deuxième conduit 6 perdant nettement moins de degrés de température que le flux de gaz traversant la turbine par le passage principal de détente logeant la roue récupératrice d’énergie de la turbine 2.
[0024] Ceci peut être cumulé avec d’autres avantages, notamment en ce qui concerne la décharge et/ou le contrôle de la puissance de la turbine, comme le ferait en condition de fonctionnement classique de régulation de la charge moteur une soupape de décharge, élément connu précédemment de l’état de la technique pour un moteur turbocompressé classique. Cela permet notamment d’éviter le phénomène de pompage du moteur consistant essentiellement à un retour des gaz chauds vers l'entrée d'air d’admission.
[0025] Cependant le gain de température dans les éléments de dépollution n’est pas assez important pour éviter une longue durée de chauffe des éléments de dépollution des gaz d’échappement se trouvant en aval de la turbine.
[0026] Le document EP-B-1 097 298 décrit un ensemble moteur avec un système d’échappement reprenant essentiellement toutes les caractéristiques précédemment mentionnées pour un ensemble moteur à suralimentation contrôlée par distribution moteur. Dans ce document, il est prévu au moins une vanne de régulation sur le premier conduit, la vanne pouvant être disposée en amont de la turbine ou en aval de la turbine mais toujours à l’extérieur de la turbine.
[0027] Cependant, une telle disposition de la vanne extérieure à la turbine crée des pertes de chaleur des gaz d’échappement dans le premier conduit tout en augmentant l’encombrement du système d’échappement d’autant plus que le deuxième conduit est forcé de contourner la turbine pour se joindre au premier conduit. Il s’ensuit aussi une perte de chaleur des gaz d’échappement dans le deuxième conduit dû à la longueur de celui-ci, ce qui est préjudiciable à l’obtention de gaz d’échappement les plus chauds possibles en zone de sortie de système d’échappement, cette zone de sortie intégrant les éléments de dépollution du système d’échappement.
[0028] Par conséquent, le problème à la base de l’invention est d’améliorer un ensemble moteur dit à suralimentation contrôlée par distribution moteur à deux conduits d’échappement en permettant d’avoir, comme nécessitée dans certaines conditions de fonctionnement du moteur, une température la plus élevée possible des gaz dans le système d’échappement en aval de la turbine, ceci en n’augmentant pas l’encombrement du système d’échappement et en minimisant les pertes de chaleur dans le système.
[0029] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un ensemble moteur comprenant un moteur à combustion interne avec au moins un cylindre, un turbocompresseur comportant une turbine et un compresseur, et un système d’échappement raccordé à une sortie du moteur pour une évacuation de gaz d’échappement issus de la combustion dans le moteur, le système d’échappement comprenant un premier conduit dit d’échappement par la turbine partant d’un premier collecteur d’échappement et un deuxième conduit dit de décharge partant d’un second collecteur d’échappement, la turbine étant munie d’un carter présentant un passage principal de détente dans lequel est logée une roue de turbine et le premier conduit débouchant dans le passage principal de détente par une face d’entrée du carter, caractérisé en ce que le deuxième conduit débouche par la face d’entrée du carter dans au moins une portion de dérivation interne au carter contournant le passage principal de détente, le passage principal de détente et ladite au moins une portion de dérivation se rejoignant à une face de sortie du carter, le passage principal de détente comprenant, à l’intérieur de la turbine, une vanne de régulation du débit de gaz d’échappement le traversant.
[0030] L’effet technique est d’obtenir une régulation de la température des gaz dans le système d’échappement en aval de la turbine par un moyen simple et peu coûteux qu’est une vanne de régulation. Dans le cas particulier et non limitatif de l’amélioration du temps de chauffe d’éléments de dépollution se trouvant en aval de la turbine dans le système d’échappement, comme le débit est réduit par la vanne de régulation dans le premier conduit traversant la roue de la turbine, la proportion de gaz d’échappement détendus dans la roue est plus faible et les gaz traversant les éléments de dépollution après la jonction des premier et deuxième conduits n’ont pas majoritairement été détendus et donc gardent une température élevée.
[0031] Ceci est particulièrement valable pour des conditions de fonctionnement de l’ensemble moteur en bas régime moteur et en faible charge moteur correspondant à une pression plenum demandée par un contrôle moteur inférieure à la pression atmosphérique. Il peut cependant être facilement procédé à une nouvelle ouverture de la vanne de régulation dans le premier conduit et à un retour rapide à un fonctionnement dans lequel une grande partie des gaz d’échappement traverse la turbine et son organe rotatif. Ceci peut être fait par un contrôle moteur déjà présent dans le véhicule automobile, contrôle moteur qui centralise tous les paramètres de fonctionnement de l’ensemble moteur pour commander une fermeture ou une ouverture de la vanne de régulation en conséquence.
[0032] Le fait d’empêcher les gaz d’échappement de traverser la turbine via la roue de turbine dans le passage principal de détente prolongeant le premier conduit va considérablement réduire les pertes thermiques des gaz d’échappement dans la turbine. Au moins peu de gaz d’échappement ou même aucune portion de gaz d’échappement ne passera alors par le passage principal à l’intérieur de la roue en étant en contact avec une grande surface d’échange thermique représentée par la surface interne de la roue de la turbine, d’où une perte de température des gaz d’échappement diminuée. Avec une vanne de régulation fermée ou partiellement fermée, au moins une majeure partie des gaz d’échappement après la jonction des prolongations dans la turbine des premier et deuxième conduits n’aura pas subi de phénomène de détente dans la roue de la turbine avec diminution de la température et de la pression.
[0033] Avantageusement, le système d’échappement comprend un troisième conduit extérieur à la turbine et relié à la face de sortie du carter de turbine pour l’évacuation des gaz d’échappement hors de la turbine.
[0034] Avantageusement, la vanne de régulation est munie d’un actionneur la déplaçant entre au moins une première position de fermeture du passage principal de détente avec un débit nul dans le passage principal de détente et une seconde position d’ouverture complète du passage principal de détente avec un débit maximal dans le passage principal de détente.
[0035] Avantageusement, l’actionneur déplace la vanne de régulation dans des positions intermédiaires d’ouverture correspondant à des débits différents dans le passage principal de détente selon le degré d’ouverture correspondant à chaque position intermédiaire respective.
[0036] Avantageusement, la vanne de régulation est sous la forme d’un disque mobile en translation ou en rotation par l’actionneur.
[0037] Avantageusement, la vanne de régulation est disposée sur au moins une extrémité de sortie du passage principal de détente à la face de sortie de la turbine.
[0038] Avantageusement, le système d’échappement comporte, en aval de la turbine, des éléments de dépollution des gaz d’échappement le traversant.
[0039] L’invention concerne aussi un procédé de montée en chauffe des éléments de dépollution dans un tel ensemble moteur, dans lequel, les éléments de dépollution nécessitant d’être chauffés afin d’acquérir une température minimale prédéterminée pour assurer le traitement de dépollution, la vanne de régulation du passage principal de détente maintient le débit de gaz d’échappement dans le passage principal de détente à une valeur nulle ou réduite tant que ladite température minimale n’est pas atteinte.
[0040] Avantageusement, une condition suspensive de maintien du débit de gaz d’échappement traversant le premier conduit à une valeur nulle ou réduite est que la pression en admission d’air du moteur soit supérieure à la pression atmosphérique.
[0041] L’invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant l’ensemble moteur décrit précédemment.
[0042] D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d’un ensemble moteur turbocompressé à suralimentation contrôlée par distribution moteur comprenant un système d’échappement à deux conduits d’échappement selon l’état de la technique le plus proche,
- la figure 2 est une représentation schématique d’un ensemble moteur comprenant un système d’échappement à deux conduits d’échappement selon la présente invention, la turbine étant traversée par les deux conduits,
- la figure 3 est une représentation schématique d’une coupe longitudinale d’un turbocompresseur, la turbine du compresseur faisant partie du système d’échappement de l’ensemble moteur selon la présente invention et la figure 3a montre un mode de réalisation de la face d’entrée de la turbine,
- la figure 4 est une représentation schématique en perspective d’un autre mode de réalisation d’une turbine munie d’un carter, cette turbine faisant partie du système d’échappement de l’ensemble moteur selon la présente invention en intégrant une vanne de régulation,
- les figures 5 et 5a sont des représentations schématiques d’une vue de la face de sortie d’une turbine munie d’une vanne de régulation conformément à la figure 4, la vanne de régulation étant montrée respectivement en position fermée et en position ouverte à ces figures, cette turbine faisant partie du système d’échappement de l’ensemble moteur selon la présente invention,
- la figure 6 est une représentation schématique en perspective d’un autre mode de réalisation d’une turbine munie d’un carter, cette turbine faisant partie du système d’échappement de l’ensemble moteur selon la présente invention et intégrant une vanne de régulation,
- les figures 7 et 7a sont des représentations schématiques d’une vue de la face de sortie d’une turbine munie d’une vanne de régulation conformément à la figure 6, la vanne de régulation étant montrée respectivement en position fermée et en position ouverte à ces figures, cette turbine faisant partie du système d’échappement selon la présente invention.
[0043] Il est à garder à l’esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l’invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité.
[0044] La figure 1 a déjà été décrite dans la partie introductive de la présente demande de brevet.
[0045] Dans ce qui suit les mots aval et amont sont à prendre dans le sens de l’écoulement des gaz d’échappement hors du moteur ou à nouveau vers l’entrée du moteur pour la ligne de recirculation, un élément dans le système d’échappement en aval du moteur étant plus éloigné du moteur qu’un autre élément se trouvant en amont de l’élément. Ce qui est appelé ensemble moteur comprend le moteur thermique de même que ses auxiliaires pour l’admission d’air dans le moteur et pour l’échappement des gaz hors du moteur, un turbocompresseur faisant aussi partie de l’ensemble moteur, la turbine étant comprise dans le système d’échappement de l’ensemble moteur.
[0046] En se référant à toutes les figures sauf la figure 1 et notamment à la figure 2, il est montré un ensemble moteur la présente invention qui reprend certaines des caractéristiques d’un ensemble moteur de l’état de la technique le plus proche.
[0047] L’ensemble moteur 1 comprend un moteur à combustion interne avec au moins un cylindre et un turbocompresseur comportant une turbine 2 et un compresseur 3. La turbine 2 comprend une roue récupérant au moins partiellement l’énergie cinétique des gaz le traversant et transmet cette énergie au compresseur 3.
[0048] Pour cela, le turbocompresseur est muni d’un axe reliant la roue de la turbine 2 à une roue se trouvant dans le compresseur 3, cet organe assurant la compression de l’air traversant le compresseur 3. Cet axe peut être lubrifié, refroidi par eau et/ou huile et installé sur des paliers avec ou sans roulements. Cet axe pourra également être équipé d’une assistance électrique, soit directement sur l’axe, soit à l’aide d’engrenages, par exemple une transmission ou une boîte de vitesses.
[0049] Le système d’échappement est raccordé à une sortie du moteur pour une évacuation de gaz d’échappement issus de la combustion dans le moteur et comprend un premier conduit 4 dit d’échappement par la turbine 2 partant d’un premier collecteur 5 d’échappement et un deuxième conduit 6 dit de décharge partant d’un second collecteur 7 d’échappement. Les premier et second collecteurs 5, 7 sont reliés à la sortie du moteur à combustion interne pour assurer la canalisation des gaz d’échappement par les premier et deuxième conduits 4, 6. Le cylindre du moteur ou chaque cylindre du moteur peut présenter à sa sortie deux passages de sortie fermés par une soupape d’échappement respective mais ceci n’est pas obligatoire.
[0050] Les deux collecteurs d’échappement 5, 7 peuvent être proches l’un de l’autre pour être raccordés à la turbine 2, par exemple par une même bride de raccordement de collecteur d’échappement avec une bride prévue sur un carter 2c de turbine 2, le carter 2c étant notamment visible aux figures 3 et 6. Les collecteurs d’échappement 5, 7 pourront être refroidis par un liquide refroidissement, notamment de l’eau, le liquide circulant dans un circuit de refroidissement étant commun ou non commun aux deux collecteurs 5, 7. Le ou les circuits de refroidissement pourront également servir au refroidissement de l’intérieur de la turbine 2.
[0051] En aval de la turbine 2, de manière connue, il est prévu sur un troisième conduit d’échappement 9 externe à la turbine avec des éléments de dépollution 10 qu’il convient de porter et de maintenir à une température minimale de fonctionnement.
[0052] En regard notamment des figures 2, 3, 4 et 6, la turbine 2 du turbocompresseur est intégrée dans un carter 2c présentant au moins une face d’entrée 2a pour les gaz d’échappement des premier et deuxième conduits 4, 6 pénétrant dans la turbine 2 et une face de sortie 2b pour les gaz d’échappement quittant la turbine 2. La turbine 2 présente un passage principal de détente 4’ dans lequel est logée une roue de turbine et le premier conduit 4 débouche dans le passage principal de détente 4’ par la face d’entrée 2a du carter 2c. Le passage principal de détente 4’ est notamment visible aux figures 3, 4, 6.
[0053] Ainsi, conformément à la présente invention, le deuxième conduit 6 débouche par la face d’entrée 2a du carter 2c dans au moins une portion de dérivation 8 interne au carter 2c contournant le passage principal de détente 4’, le passage principal de détente 4’ et ladite au moins une portion de dérivation 8 se rejoignant à une face de sortie 2b du carter 2c, le passage principal de détente 4’ comprenant, à l’intérieur de la turbine 2, une vanne de régulation 13 du débit de gaz d’échappement le traversant.
[0054] Ainsi, une portion de dérivation 8 prolongeant le deuxième conduit 6 est intégrée dans la turbine 2 mais n’est pas en échange d’énergie cinétique avec la roue de la turbine 2, ce qui procure un effet de décharge de la turbine 2 plus efficace encore que l’effet de décharge obtenu avec une soupape de décharge. Enfin, plus le débit est fort dans le deuxième conduit 6 par rapport au débit dans le premier conduit 4 et plus les gaz d’échappement quittant la turbine 2 seront chauds ce qui permet de diminuer le temps de montée en température des éléments de dépollution 10 se trouvant en aval de la turbine.
[0055] La vanne de régulation 13 permet avantageusement de diminuer et/ou de fermer le débit dans le passage principal de détente 4’ prolongeant le premier conduit 4 dit d’échappement dans la turbine 2 et donc d’augmenter la température des gaz après jonction des prolongations dans la turbine des premier et deuxième conduits 4, 6 que sont respectivement le passage principal de détente 4’ et ladite au moins une portion de dérivation. Faire traverser la turbine 2 par la prolongation 4’, 8 respective des deux conduits 4, 6 d’échappement assure aussi une meilleure isolation thermique du deuxième conduit 6 que dans l’état de la technique. Le raccourcissement du deuxième conduit 6 obtenu par la traversée de la turbine 2 concourt à réduire la perte en température des gaz traversant le deuxième conduit 6.
[0056] Un avantage secondaire du système d’échappement de l’ensemble moteur 1 selon la présente invention, du fait qu’une portion de dérivation 8 prolongeant le deuxième conduit 6 soit intégrée dans la turbine 2, est de diminuer l’encombrement du système d’échappement et de réduire la dépense en matière pour le deuxième conduit 6, la jonction des prolongation des premier et deuxième conduits 4, 6 se faisant dans la turbine 2 et non après la turbine 2, d’où un raccourcissement de la longueur du deuxième conduit 6 qui n’a pas à présenter une longueur lui permettant de contourner la turbine 2.
[0057] Le passage principal de détente 4’ et ladite au moins une portion de dérivation 8 prolongeant respectivement les premier et deuxième conduits 4, 6 peuvent déboucher au même niveau de la turbine 2 à la face de sortie 2b du carter 2c. Le système d’échappement peut comprendre un troisième conduit 9 extérieur à la turbine 2 et relié à la face de sortie 2b du carter 2c de turbine pour l’évacuation des gaz d’échappement hors de la turbine 2.
[0058] Dans le mode de réalisation montré aux figures sauf à la figure 1, la turbine 2 comprend donc une face d’entrée 2a pour les gaz d’échappement des premier et deuxième conduits 4, 6 pénétrant par leurs prolongations 4’, 8 dans la turbine 2 et une face de sortie 2b raccordé extérieurement au troisième conduit 9 externe à la turbine 2.
[0059] Selon une caractéristique de la présente invention, le passage principal de détente 4’ à l’intérieur de la turbine 2 est muni d’une vanne de régulation 13. Cette vanne de régulation 13 peut se trouver avantageusement à proximité de la face de sortie 2b de la turbine 2 en obturant ou ouvrant sélectivement une extrémité de sortie 4b du passage principal de détente 4’, donc en se trouvant sur le passage principal de détente 4’ après la roue de la turbine 2.
[0060] Quelle que soit sa position sur le passage principal de détente 4’ prolongeant le premier conduit 4, la vanne de régulation 13 peut être munie d’un actionneur 15 la déplaçant entre au moins une première position de fermeture du passage principal de détente 4’ avec un débit nul dans le passage principal de détente 4’ et une seconde position d’ouverture complète du passage principal de détente 4’ avec un débit maximal dans le passage principal de détente 4’.
[0061] Le débit nul dans le passage principal de détente 4’ peut correspondre à une demande de chauffage des éléments de dépollution 10 tandis que le débit maximal dans passage principal de détente 4’ peut correspondre à une demande de puissance maximale au compresseur 3 du turbocompresseur.
[0062] L’actionneur 15 peut aussi déplacer la vanne de régulation 13 dans des positions intermédiaires d’ouverture correspondant à des débits différents dans le passage principal de détente 4’ selon le degré d’ouverture correspondant à chaque position intermédiaire respective.
[0063] Avantageusement, la vanne de régulation 13 peut être sous la forme d’un disque mobile en translation ou en rotation par l’actionneur 15. Un disque mobile en rotation en tant que vanne de régulation 13 est montré notamment aux figures 5, 5a, 7 et 7a.
[0064] En se référant à toutes les figures sauf la figure 1, la portion de dérivation 8 prolongeant le deuxième conduit 6 peut présenter une extrémité de sortie 8b et le passage principal de détente 4’premier conduit 4 peut présenter une extrémité de sortie 4b, les deux extrémités de sortie 4b, 8b débouchant à proximité de la face de sortie 2b de la turbine 2, c’est-à-dire en amont de cette face de sortie 2b dans la turbine 2. Le troisième conduit 9, extérieur à la turbine 2, part de la face de sortie 2b pour l’évacuation des gaz d’échappement de la turbine 2. De manière classique, le troisième conduit 9 comporte plus en aval de la face de sortie 2b du carter 2c de la turbine 2 des éléments de dépollution 10 des gaz d’échappement le traversant, ces éléments de dépollution 10 ayant été mentionnés précédemment.
[0065] Il est à considérer qu’il peut exister simultanément plusieurs portions de dérivation 8 prolongeant le deuxième conduit 6 dit de décharge et qu’une portion de dérivation 8 peut présenter plusieurs extrémités de sortie 8b. Les figures 3, 3a, 4, 5 et 5a montrent une unique extrémité de sortie 8b pour une portion de dérivation 8 tandis que les figures 6, 7a et 7b montrent plusieurs extrémités de sortie 8b pour une ou plusieurs portions de dérivation 8.
[0066] Le passage principal de détente 4’ prolongeant le premier conduit 4 peut présenter aussi une extrémité de sortie 4b à l’endroit où le passage principal de détente 4’ et la ou les portions de dérivation 8 se rejoignent. L’extrémité de sortie 4b du passage principal de détente 4’ peut présenter une section plus grande que la section de la ou d’une extrémité de sortie 8b de la ou des portions de dérivation 8 mais ceci n’est pas obligatoire. L’extrémité de sortie 4b du passage principal de détente 4’ est avantageusement de section circulaire, ce qui n’est cependant pas limitatif.
[0067] Par exemple, la ou les portions de dérivation 8 peuvent comprendre au moins deux extrémités de sortie 8b. Ceci est illustré notamment aux figures 6, 7 et 7a. De multiples extrémités de sortie 8b pour la portion de dérivation 8 prolongeant le deuxième conduit 6 de décharge peuvent se trouver dans un plan parallèle ou confondu à celui de la face de sortie 2b de la turbine 2.
[0068] Dans un premier mode de réalisation de l’invention non limitatif, les deux ou plus de deux extrémités de sortie 8b d’une portion de dérivation 8 peuvent se trouver adjacentes l’une à l’autre dans la turbine 2, ce qui n’est pas montré aux figures. En alternative, dans un deuxième mode de réalisation de l’invention aussi non limitatif, les deux extrémités de sortie 8b de la ou des portions de dérivation 8 peuvent être réparties uniformément sur un disque de sortie disposé autour de l’extrémité de sortie 4b du passage principal de détente 4’ se trouvant alors au centre du disque, ce qui est montré aux figures 6, 7a et 7b.
[0069] Les deux ou plus de deux extrémités de sortie 8b de ladite au moins une portion de dérivation 8 peuvent déboucher radialement ou axialement par rapport à l’extrémité de sortie 4b du premier conduit 4. Un débouché radial avec une distribution uniforme permet une optimisation de la configuration du carter 2c et de la turbine 2 associée ainsi qu’une optimisation des turbulences en face de sortie 2b du carter 2c de la turbine 2.
[0070] Dans ce mode de réalisation, les deux ou plus de deux extrémités de sortie 8b de la ou des portions de dérivation 8 peuvent être au moins au nombre de trois, toutes débouchant radialement ou axialement ou une partie des extrémités de sortie 8b débouchant radialement avec une partie complémentaire des autres extrémités de sortie 8b débouchant axialement. Ceci est montré aux figures 6, 7 et 7a.
[0071] Avec un deuxième conduit 6 dit de décharge prolongé dans la turbine 2 par une ou plusieurs portions de dérivation 8, elles-mêmes présentant une ou plusieurs extrémités de sortie 8b et un passage principal de détente 4’ prolongeant le premier conduit 4 dit d’échappement par turbine muni d’une extrémité de sortie 4b, la section des extrémités de sortie 8b, 4b peut prendre plusieurs formes différentes à savoir par exemple :
- une forme ronde telle que, par exemple, dans un système classique de turbocompresseur,
- une forme optimisée pour l’optimisation de l’ensemble turbine 2 et son carter 2c associée et de l’optimisation des turbulences en face de sortie 2b de la turbine 2, par exemple une forme en croissant, en demi-lune, une forme ovalisée, carrée, rectangulaire, triangulaire, etc.
[0072] Dans un mode de réalisation de l’invention, la sortie du moteur peut comprendre par cylindre, au moins un cylindre équipant le moteur et avantageusement trois, des premier et second passages de sortie fermés par une soupape d’échappement respective, une série de premiers passages de sortie des cylindres alimentant, via le premier collecteur de sortie 5, le premier conduit 4 dit d’échappement par turbine et une série de seconds passages de sortie, via le deuxième collecteur de sortie 7, alimentant le deuxième conduit 6 dit de décharge.
[0073] Ainsi, il est possible d’obtenir des régulations multiples des flux de gaz d’échappement. Dans des conditions spécifiques de fonctionnement de l’ensemble moteur 1, il est avantageux de fermer ou réduire le flux de gaz d’échappement dans le passage principal de détente 4’ de la turbine 2. Ceci est fait par la fermeture au moins partielle de la vanne de régulation 13 selon la présente invention.
[0074] Il peut être possible en plus de réguler le débit dans le premier conduit 4, de réguler celui du deuxième conduit 6, ce qui permet un fonctionnement amélioré de l’ensemble moteur.
[0075] Il va maintenant être énoncé des premières conditions spécifiques de fonctionnement de l’ensemble moteur 1, pour lesquelles il est avantageux de fermer ou réduire le flux de gaz d’échappement par la vanne de régulation 13 dans le passage principal de détente 4’ prolongeant le premier conduit 4.
[0076] Comme précédemment mentionné, le système d’échappement comporte, en aval de la turbine 2, des éléments de dépollution 10 des gaz d’échappement le traversant, ceci dans le troisième conduit 9. Ces éléments de dépollution 10 nécessitent d’être chauffés en étant traversés par des gaz d’échappement les plus chauds possibles afin d’acquérir le plus vite possible une température minimale prédéterminée pour assurer le traitement de dépollution. Ceci est important notamment pendant la période de temps succédant au démarrage du véhicule automobile.
[0077] Il est avantageux de fermer ou réduire le flux de gaz d’échappement dans le passage principal de détente 4’ prolongeant le premier conduit 4, ce flux perdant beaucoup de chaleur dans la roue de la turbine 2 et étant alors moins chaud que le flux du deuxième conduit 6 ayant contourné la turbine 2.
[0078] L’invention concerne donc aussi un procédé de montée en chauffe des éléments de dépollution 10 dans le système d’échappement d’un ensemble moteur décrit précédemment, dans lequel la vanne de régulation 13 maintient le débit de gaz d’échappement dans le passage principal de détente 4’ interne à la turbine 2 à une valeur nulle ou réduite tant que ladite température minimale n’est pas atteinte.
[0079] Dans le procédé selon la présente invention, il peut exister une condition suspensive de maintien du débit de gaz d’échappement dans le passage principal de détente 4’ à une valeur nulle ou réduite qui est que la pression en admission d’air du moteur soit supérieure à la pression atmosphérique. Ceci correspond à une demande de puissance de l’ensemble moteur 1.
[0080] De manière accessoire, comme montré à la figure 2, une ligne RGE peut être raccordée par un piquage 12 à un des deux conduits 4, 6 ou à une de leurs prolongations respectives dans la turbine 2. A la figure 2, il est montré un piquage 12 d’une ligne RGE 11 à travers la turbine 2 soit avec le passage principal de détente soit avec au moins une portion de dérivation 8 soit avec les deux.
[0081] Comme précédemment mentionné, la turbine 2 peut être équipée d’un circuit de refroidissement par un liquide de refroidissement en son intérieur, notamment de l’eau. Ce circuit n’est pas illustré aux figures mais en reprenant les figures 2 à 7a pour les références des autres éléments, le circuit de refroidissement peut s’étendre à l’intérieur du carter 2c au moins autour de la face d’entrée 2a et autour de la roue de la turbine 2.
[0082] Le liquide de refroidissement circule avantageusement sur toutes les zones chaudes où un risque de fusion de la matière du carter 2c de la turbine 2 est identifié. La circulation du liquide de refroidissement se fait globalement dans un sens unique en réalisant tout le tour du carter 2c de la turbine 2, principalement dans la zone d’une bride d’entrée de la turbine 2 et dans la zone autour de la roue de la turbine 2.
[0083] Plusieurs modes préférentiels de réalisation du circuit de refroidissement sont possibles. Ainsi, quand le premier collecteur 5 ou le second collecteur 7 d’échappement comprend un circuit de refroidissement, son circuit de refroidissement peut être connecté au circuit de refroidissement de la turbine 2, avec une entrée et une sortie du circuit de 5 refroidissement de la turbine 2 pouvant se trouver sur la face d’entrée 2a de la turbine 2.
Dans un autre mode, le circuit de refroidissement de la turbine 2 est indépendant de celui de chaque collecteur 5, 7 d’échappement et lui est propre. Il se peut aussi que la turbine soit directement raccordée aux collecteurs 5, 7 d’échappement les premier et deuxième conduits 4, 6 étant alors intégrés dans leur collecteur 5, 7 respectif.
[0084] L’invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n’ont été donnés qu’à titre d’exemples.

Claims (8)

  1. Revendications :
    1. Ensemble moteur (1) comprenant un moteur à combustion interne avec au moins un cylindre, un turbocompresseur comportant une turbine (2) et un compresseur (3), et un système d’échappement raccordé à une sortie du moteur pour une évacuation de gaz d’échappement issus de la combustion dans le moteur, le système d’échappement comprenant un premier conduit (4) dit d’échappement par la turbine (2) partant d’un premier collecteur (5) d’échappement et un deuxième conduit (6) dit de décharge partant d’un second collecteur (7) d’échappement, la turbine (2) étant munie d’un carter (2c) présentant un passage principal de détente (4’) dans lequel est logée une roue de turbine et le premier conduit (4) débouchant dans le passage principal de détente (4’) par une face d’entrée (2a) du carter (2c), caractérisé en ce que le deuxième conduit (6) débouche par la face d’entrée (2a) du carter (2c) dans au moins une portion de dérivation (8) interne au carter (2c) contournant le passage principal de détente (4’), le passage principal de détente (4’) et ladite au moins une portion de dérivation (8) se rejoignant à une face de sortie (2b) du carter (2c), le passage principal de détente (4’) comprenant, à l’intérieur de la turbine (2), une vanne de régulation (13) du débit de gaz d’échappement le traversant, la vanne de régulation (13) étant munie d’un actionneur (15) la déplaçant entre au moins une première position de fermeture du passage principal de détente (4’) avec un débit nul dans le passage principal de détente (4’) et une seconde position d’ouverture complète du passage principal de détente (4’) avec un débit maximal dans le passage principal de détente (4’)..
  2. 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le système d’échappement comprend un troisième conduit (9) extérieur à la turbine (2) et relié à la face de sortie (2b) du carter (2c) de turbine pour l’évacuation des gaz d’échappement hors de la turbine (2).
  3. 3. Ensemble selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel l’actionneur (15) déplace la vanne de régulation (13) dans des positions intermédiaires d’ouverture correspondant à des débits différents dans le passage principal de détente (4’) selon le degré d’ouverture correspondant à chaque position intermédiaire respective.
  4. 4. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la vanne de régulation (13) est sous la forme d’un disque mobile en translation ou en rotation par l’actionneur (15).
  5. 5. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la vanne de régulation (13) est disposée sur au moins une extrémité de sortie (4b) du passage principal de détente (4’) à la face de sortie (2b) de la turbine (2).
  6. 6. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le système d’échappement comporte, en aval de la turbine (2), des éléments de dépollution (10) des gaz d’échappement le traversant.
  7. 7. Procédé de montée en chauffe des éléments de dépollution (10) dans un ensemble selon la revendication 6 dans lequel, les éléments de dépollution (10) nécessitant d’être chauffés afin d’acquérir une température minimale prédéterminée pour assurer le traitement de dépollution, la vanne de régulation (13) du passage principal de détente (4’) maintient le débit de gaz d’échappement dans le passage principal de détente (4’) à une valeur nulle ou réduite tant que ladite température minimale n’est pas atteinte et dans lequel une condition suspensive de maintien du débit de gaz d’échappement dans le passage principal de détente (4’) à une valeur nulle ou réduite est que la pression en admission d’air du moteur soit supérieure à la pression atmosphérique.
  8. 8. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comprend l’ensemble selon l’une des revendications 1 à 6.
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