Brevet FR2226559A1 — publié le 19741115

La présente invention a pour objet un groupe turbo-compresseur pour la suralimentation de moteurs volumétriques à combustion interne, plus particulièrenlent des moteurs Diesel pour la propulsion de véhicules. Dans de tels moteurs on a de plus en plus recours, en vue d'en améliorer le rendement, à la suralimentation qui est normalement obtenue à l'aide de groupes turbo-compresseurs dans lesquels la turbine est alimentée par les gaz d'échappement du moteur alternatif et est accouplée à des compresseurs centrifuges ou volumétriques. Dans le domaine de la propulsion de véhicules, on sait qu'il y a avantage à avoir des moteurs ayant une caractéristique de fonctionnement telle que le couple soit le plus élevé possible à vitesse de rotation réduite et qu'en outre il diminue quand augmente cette vitesse, éventuellement avec une allure hyperbolique correspondant à un fonctionnement à puissance constante. Les compresseurs centrifuges, qui sont plus économiques et plus simples que les compresseurs volumétriques, présentent l'inconvénient d'un couple moteur, qui augmente de façon sensible avec la vitesse de rotation, ce qui implique dans le cas de traction automobile, l'adoption de changements de vitesses comportant un grand nombre de rapports. Par ailleurs, dans certaines conditions de fonctionnement, il peut arriver que le compresseur fonctionne dans des conditions de pompage.Pour remédier à ces inconvénients, on a employé des i=roupes turbo-cocipresseurs dans lesquels le compresseur est du type volumétrique et donc, en raison de sa nature, exempté du phénomène de pompage, et l'on a, de plus, prévu des organes servant à adapter la puissance fournie par la turbine à la puissance demandée par le compresseur.Ces organes sont nécessaires du fait que, si l'on veut travailler avec le moteur alternatif à puissance constante, le compresseur doit fonctionner avec une vitesse de rotation sensiblement constante en devant alimenter un débit d'air constant qui, pour un nombre de tours faible, doit être sous pression élevée puisqu'il doit remplir, dans l'unité de temps, un faible volume, et inversement pour un grand nombre de tours3 par conséquent, le compresseur, fournissant un débit constant sous pression variable, exige une puissance variable.En vue d'obtenir de telles conditions de fonctionnement, on a utilisé des turbines à puissance réglable, accouplées au compresseur volumétrique au moyen d'un convertisseur de couple, ayant précisément pour role de régler la valeur relative de la vitesse de la turbine et de la vitesse du compresseur lorsque le nombre des tours du moteur alternatif varie. Le convertisseur de couple est donc une pièce coûteuse et de réalisation compliquée et, de plus, il exige en général un réfrigérant de l'huile motrice. Une autre façon connue d'obtention des caractéristique s de fonctionnement recherchées consiste à utiliser un compresseur volumétrique commandé directement par une turbine actionnée par les gaz d'échappement et munie d'un distributeur de forme variable, de façon à permettre le ré-lage de la puissance de la turbine. Cette solution présente, toutefois, l'inconvénierít que l'angle variable suivant lequel le fluide moteur sort des aubes du distributeur à forme variable n'est pratiquement jamais égal à l'angle qui correspond au rendement maximal de la turbine, du fait que la variation, en fonction de la puissance recherchée du nombre de tours d'un compresseur volumétrique est, en général, bien inférieure à celle de la turbine qui lui est associée. L'invention a donc pour objet un groupe de suralimentation pour moteurs à combustion interne volumétriques, plus particulièrement des moteurs Diesel, ce groupe, qui remédie aux inconvénients cités plus haut, permettant d'obtenir une caractéristique du moteur plus favorable que celle que l'on avait obtenue jusqutà présent avec les dispositifs de suralimentation. Le dispositif de l'invention5 pour la suralimentation d'un moteur du type décrit ci-dessuss est constitué par un groupe turbo-sos- presseur comprenant un compresseur centrifuge destiné à alimenter le moteur en air prélevé dans l'atmosphère et entraîné directement, avec un rapport de transmission constant, par une turbine, actionnée par les gaz d'échappemenX du moteur traversant un distributeur à forme variable, ce groupe étant caractérisé en ce que, en aval du compresseur, un conduit de dérivation relie le conduit dè sortie du compresseur è un conduit d'entrée dans une machine à détente, des organes permettant le réglage du débit d'air prélevé par le compresseurS au moyen de ce conduit de dérivation. Comme on l'a indiqué plus haut, l'utilisation d'un compresseur centrifuge présente l'inconvénient de fonctionner, à faible vitesse de rotation, dans des conditions de pompage. Ces conditions se présentent lorsque, pour une valeur déterminée de la pression du fluide alimenté par le compresseur centrifuge, le débit correspondant descend au-dessous d'une valeur limite. Dans le dispositif de suralimentation selon l'invention il est possible, tout en conservant les valeurs de la pression et du débit du fluide d'alimentation du moteur, de faire varier, à égalité de pres sion, le débit du compresseur. En particulier, en augmentant le débit du compresseur, il est possible d'empêcher l'apparition des conditions de pompage. Bien entendu, du fait que le débit d'air alimenté par le compresseur est supérieur à celui qui est exigé par le moteur, une partie de ce débit devra être dérivée du conduit de sortie du compresseur et pourra être utilisée à d'autres fins. D'autres objets et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, des formes préférées de réalisation; sur ces dessins: - la figure 1 est un schéma représentant les connexions entre le moteur et le groupe de suralimentation, selon une première forme de réalisation, - la figure 2 est une coupe axiale d'une turbine à gaz d'un groupe de suralimentation selon l'invention, - la figure 3 est une coupe partielle faite suivant la ligne IV-IV de la figure 2 montrant la surface cylindro-conique, coaxiale à la turbine, - la figure 4 est un graphique représentant la variation du débit en fonction de la pression, pour un compresseur centrifuge et pour divers nombres de tours de ce derniers - la figure 5 est une variante de la figure 3, - la figure 6 est une première variante de la figure 2, et - la figure 7 est une seconde variante de la figure 2. Sur la figure 1, qui représente une forme préférée de réalisation de l'invention, la référence 1 désigne un moteur Dicsel, et les références 2 et 3 désignent respectivement les collecteurs d'air et de gaz d'échappement du moteur l. Le collecteur 2 est branché, par un conduit 4, à la sortie 5 d'un compresseur centrifuge 6 qui aspire l'air par une admission 7, tandis que le collecteur 3 est branché, par un conduit 8, à une première entrée 9 d'une turbine à gaz 10 coaxiale au compres- seur 6 et dont la vitesse angulaire est en rapport constant avec celle du compresseur. Au point 12 du conduit 4 est prélevée une partie de l'air débité par le compresseur. Cette partie d'air prélevée est envoyée par un conduit l4 dans une seconde entrée 16 de la turbine 10. Les gaz provenant de l'échappement 3 du moteur et l'air provenant du point 12, après s'être détendus dans la turbine 10, sortent de celle-ci par un conduit d'échappement 18. La turbine 10, pour permettre l'adaptation de sa puissance à celle du compresseur, est munie d'un distributeur de forme variable, connu en soi. La turbine 10 est constituée par un stator 20 comportant une chambre spirale 22, reliée à l'échappement du moteur Diesel par une ouverture 24 qui communique, à son tour, avec une extrémité du conduit 8. Dans le stator, se trouvent une série d'aubes pivotantes 26 intercalées entre les oloisons 28 et 30 du stator 20, de manière à constituer, avec ces oloisons, le distributeur de la machine.Chaque aube 26 comporte deux tourillons coaxiaux 32 et 33 logés dans des man chons 34 montés dans des trous 25 pratiqués dans les cloisons du stator 20. De l'extrémité du pivot 32 est solidaire un bras coudé 36 qui est terminé par un court maneton 38 perpendiculaire au bras 36. Chaque aube 26 pivote autour des axes des tourillons 32 et 33. A l'intérieur du stator 20 est disposé le rotor 40 de la turbine, qui est constitué par un moyeu 42 et par une série d'aubes 44. La turbine 10 est complétée par un diffuseur 46 réuni, par une extrémité, au stator par une bride 48 et relié, à son autre extrémité (non représentée) à un conduit d'échappement 18. Un disque, centré sur un siège 52 du stator de la turbine et tournant sur celle-ci, est muni d'une série de trous 54 en nombre égal à celui des aubes 26 du distributeur, chaque trou se trouvant en regard de l'un des manetons 38 des bras solidaires des aubes mobiles du distributeur. Le disque 50 est maintenu axialement sur le stator de la turbine par des saillies 56 et 58 et, au moyen d'organes appropriés, par exemple un levier radial dans lequel une tige est articulée, peut être relié à des organes de commande (non décrits). Ces organes de commande peuvent faire tourner le disque 50 et, également, au moyen des bras coudés 36, les aubes pivotantes 26, ce qui assure le réglage de la puissance fournie par la turbine en fonction des exigences de fonctionnement du moteur.Le rotor 40 de la turbine est maintenu, de façon connue en soi, par un arbre 59 supporté par des coussinets (non représentés) portés, à une extrémité, par le stator 20 et, à l'autre extréiaité, par le compresseur 6. La figure 3 montre de Paçon détaLliée le dispositif d'admistston, dans la turbine 10, de l'air prelnvé. Le conduit 14 qui entrasse l'air dans cette turbine 10, provenant du point 12 du coaluit 4, débouche dans un conduit 58 ménagé dans un bossage 62 du stator.Ce conduit 58 est constitué par une premigre portion cXlindrique 64 raccordes à une seconde portion, 66, de forme pratiquement cylindrique, reliée, au moyen d'un racoord 58, à une troisidme portion cylindrique 70, coaxiale à la seconde portion 66 mais de diametre plus faible.Dans le bossage 62 est monté un obturateur 72 du type à double cône, qui peut se déplacer le long-de son axe, coaxialement lux portions 66 et 70 du conduit 58 et utilise essentiellement pour le réglage, par exemple des turbines hydrauliques, et dont l'extrémité 74, en forme de fuseau, peut venir buter, par sa plus Qrande section, contre la paroi du conduit 58, au droit du raccord 68 jusqu'à le refermer complàtement; l'arbre 76 de cet obturateur 72 est relié à des organes de commande (non représentés), sous l'action desquels l'aiguille double peut se dé placer à travers la cloison du bossage 62, un élément d'étanchéité 78 étant intercalé, L'axe de l'aiguille et des portions de conduits 66 et 70, qui définissent les directions d'injection de l'air prélevé et pro- jeté contre les aubes de la turbine pour en récupérer l'énergie, est incliné d'un angle # sur la direction de la vitesse périphérique du rotor de la turbine, au point dtinjoction; cet angle &alpha; est de l'ordre de 10 à 400 de préférence. Comme on l'a indiqué plus haut, aux variations des conditions de fonotionnement-du moteur la doivent correspondre des variations des valeurs du débit et de la pression de l'air provenant du compresseur. Cela implique une variation de la puissance et du nombre de tours du compresseur lui-meme et, par suite, également de la turbine 10, variation qui peut autre obtenue à l'aide du distributeur à forme variable de la turbine.Comme on l'a déjà signalé, il peut arriver que le compresseur 6 se trouva, dans certains cas, en fonctionnement dans des conditions de pompage.-De telles conditions se présentent5 par exemple, au point A de la figure 4.Sur cette figure, ou le débit G de l'air fourni par le compresseur est porté en abscisses et sa pression p en ordonnés sont représentées plusieurs courbes oaractéristiques.d'un compresseur centrifuge, chacune de ces courbes correspondant à une valeur donnée du nombre de tours n du compresseur La ligne désignée par la lettre 1 représente, pour chaque valeur de la pression, la valeur limite du débit correspondant, au-dessous de laquelle le compresseur fonotionne dans des conditions de pompage.Si l'on suppose dono-que les conditions de fonctionnement du moteur exigent une valeur du débit et de la pression d'air égales respectivement à et et PAS le compresseur centri fugue, qui fonctionne en A, se trouve dans des conditions de pompage. Arase à l'invention, on empoche l'apparition de ces conditions de pompage, en faisant fournir par le compresseur un débit GB supérieur au débit exigé par la moteur, à alité de pression A Le point de fonctionnement se déplace donc de A à B, c'est-à-dire sort de la zone de pompage* De la totalité du débit d'air fourni par le compresseur, seule la partie A est envoyée au moteur et le restants qui est égal à GB-GAS est prélevé dans le conduit 14 et envoyé à la turbine 10. La quantité 'air prélevée est réglable à l'aide du dispositif représenté sur la figure 3.Une variante de ce dispositif est représentée sur la figure 5, où l'on utilise un obturateur à tiroir. Sur cette figure, un conduit 158, ménagé dans le bossage 62 et relié au conduit 14 par lequel l'air prélevé entre dans la turbine, est raccordé à une seconde portion 166,qui a, icis une section rectanalaire par un coude 168. Un obturateur à tiroir 172 peut coulisser vers la cloison 173 de la portion 166 sous l'action d'organes de commande (non représentés) et il passe dans un siège 174 dont l'axe est oblique par rapport à celui de la portion 166 du conluit d'entrée d'air, ce siège étant ménagé dans le bossage 62, de manière que l'extrémité 176 de l'obturateur 172 puisse pénétrer dans la portion 166 en la refermant complètement ou partiellement, sous l'effet de ces organes de commande, constituant ainsi un étranglement 178 pour l'air.L'obturateur à tiroir 172 a tme section transversale rectangulaire et ses dimensions sont telles qu'il peut refermer complètement la portion 166 lorsque sous l'effet de ses organes de commande (non décrits), il est repoussé à fond de course et est disposé, ainsi que son siège 174, de sorte que son arête extrême 180, en position de fermeture, coïncide avec l'arête extrême 182 de la portion 166. Le raccord profilé 184 de l'extrémité 176 de l'obturateur à tiroir facilite la régularité du débit d'air. L'axe de la portion 166 définit la direotion d'injeotion de l'air qui est prélevé et projeté contre les aubes mobiles de la turbine pour en récupérer l'énergie: cette direction fait, avec la direction de la vitesse périphêriqueu du rotor au point d'injection, un angle avantageusement compris entre 10 et 400. En utilisant un obturateur de oe type au lieu de l'aiguille double, on réduit au minimum le phénomène, non n8cessaire, de dilatation et de recompression ultérieure du fluide, phénomène qui se présente dans le cas de l'utilisation de l'aiguille à double c8ne, en raison de la forme conique de celle-ci, réalisant une section de type oonvergent-divergent, caractéristique que l'on ne retrouve pas dans l'obturateur à tiroir. La figure 6 représente le schéma d'un auralimentateur de moteur suivant une seconde forme de mise en oeuvre de l'invention. Comme on le voit sur la figure, cette seconde forme de réalisation diffère de la première (représentée sur la figure 1), uniquement par le fait que l'air prélevé dans le conduit de sortie du compresseur est envoyé, non seulement à ls turbine de commande 10, mais aussi dans une turbine auxiliaire 210, reliées avec un rapport de transmission constants à l'arbre du compresseur 6 et de la turbine 10. L'air prélevé provenant du conduit 14 arrive à une entrée 209 de la turbine auxiliaire 210. Après expansion l'air est déchargé par une sortie 217 et un conduit d'échappement 218. La turbine auxiliaire 210 doit, de plus > oomporter des organes pour le réglage du débit de l'air prélevé dans le compresseur 6, oes organes étant, de préférence, les mêmes que les organes d'admission de la turbine à forme variable, et peuvent donc être du type représenté sur les -figures 4 et 5. Enfin, la figure 7 représente une autre forme de réalisation de l'invention, analogue à celle qui est représentée sur la figure 12 avec cette seule différenoe qu 'elle comporte un échangeur de chaleur 300. Cet échangeur est traverse par un fluide chaud constitué par les gaz d'échsSpement de la turbine de commande 10 contenus dans le tube d1échap- pement 18, et par un fluide froid constitué par l'air prélevé provenant, -par le conduit 14, de la sortie du compresseur 6. De la sortes on récupère en partie l'énergie qui correspond à la chaleur des gaz d'échappement et on la transmet à l'air prélevé avant que celui-ci se détende dans la turbine 10. REKDICATIOPJS 1 - Groupe de suralimentation pour moteurs à combustion interne volumétriques, particulibrement des moteurs Diesel, constitué par un groupe turbo-compresseur comprenant un compresseur centrifuge destiné à alimenter le moteur en air prélevé dans l'atmosphère et entraîné directement, avec un rapport de transmission constant, par une turbine, actionnée par les gaz d'échappement du moteur traversant un distributeur à forme variables ce groupe étant caractérisé en ce que, en aval du compresseur, un conduit de dérivation relie le conduit de sortie du compresseur à un conduit d'entrée dans une machine à détentes des organes permettant le réglage du débit d'air prélevé par le compresseur, au moyen de ce conduit de dérivation. 2 - Groupe de suralimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comporte un échangeur de chaleur comprenant, comme fluide chaud, le gaz d'échappement de la sortie de la turbine et, comme fluide froid, l'air prélevé passant dans le conduit de dérivation. 3 - Groupe de suralimentation selon la revendication 1, caras- térisé en ce que la machine à détente est constituée par la turbina alimentée par les gaz d'échappement. 4 - Groupe de suralimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que entrée de l'air prélevé dans la turbine se trouve sur le conduit d'admission des gaz d'échappement. 5 - Groupe de suralimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'entrée dans la turbine de l'air prélevé se trouve en un point intermédiaire entre la section d'entrée et la section de sortie des gaz d'échappement. 6 - Groupe de suralimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la maohine à détente est constituée par une turbine auxiliaire. 7 - Groupe de suralimentation selon la revendication 6, carac péris8 en ce que l'arbre de la turbine auxiliaire est relié à l'arbre du compresseur. 8 - Groupe de suralimentation selon la revendication 1, carao térisé en ce que les organes de réglage du débit de l'air prélevé sont constitués par un obturateur d'étranglement. 9 - Groupe de suralimentation selon la revendication 3 ou 6, caractérisé en ce que les organes de réglage du débit de l'air prélevé consistent en un obturateur constitué par les mêmes organes que ceux qui règlent l'admission de l'air dans la turbine et qui sont de forme variable. 10 - Groupe de suralimentation selon la rcvendication 9, caractérisé en ce que l'obturateur est du genre à aiguille à double cône. 11 - Groupe de suralimentation selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'obturateur est à tiroir. 12 - Groupe de suralimentation selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'obturateur est constitué par un tiroir à section rectangulaire, qui coulisse dans un siège et dont une extrémitéà profilage progressif, pénètre transversalement dans un conduit, de section rectangulaire, à travers lequel l'air est admis sur les aubes du rotor de la turbine, cette extrémité coopérant avec une cloison de ce conduit pour délimitera dans celui-ci, un étranglement pour le débit, le coté par lequel se termine cette cloison du stator tourné vers le rotor et l'arête de l'extrémité du rotor qui définit cet étranglement étant parallèles et en coincidence lorsque sous l'effet des organes de commande du tiroir, celui-ci referme ledit étranglement.