Brevet FR2284040A1 — publié le 19760402

L'invention est relative, d'une façon générale, aux turbo compresseurs à compresseur d'air rotatif entrainé par une turbine à gaz. Elle concerne en particulier les turbocompresseurs de surali mentation de moteurs à combustion interne, et notamment de moteurs Diesel, dans lesquels la turbine est entraînée par au moins une partie du flux de gaz d'échappement du moteur. La vitesse de rotation d'un turbocompresseur de ce genre est évidemment fonction du débit des gaz d'échappement et par consé quent du régime du moteur. Elle atteint, ainsi que la pression de suralimentation, sa valeur maximale au régime correspondant à la vitesse maximale du moteur. Comme il est alors possible d'injecter ou d'admettre dans le moteur un débit de combustible plus élevé qu'aulx autres régimes, le moteur développe dans ces conditions son couple maximal. Mais lorsque l'on réduit la vitesse du moteur le débit volumique des gaz d'échappement ne sature plus les sections de passage de la turbine et la pression amont des gaz s'effondre, d'où une baisse sensible de la vitesse de rotation du turbocompres seur et conséquemment de la pression de suralimentation.Ces phéno mènes font que la variation du couple moteur en fonction de la vi tesse est très mal adaptée à l'emploi du moteur pour la traction. Afin d'améliorer le comportement du moteur à bas régime, on peut évidemment calculer la section de turbine pour obtenir un débit d'air suffisant avec un ddbit de gaz d'échappement relative ment faible. Mais lorsque le moteur fonctionne à plein régime, le turbocompresseur n'est plus adapté et risque de tourner en survitesse. On a déjà proposé diverses solutions pour éviter ces incon vénients et par exemple, la turbine étant dimensionnée pour un débit de gaz réduit, de prévoir un dispositif de décharge des gaz de sortie excédentaires lorsque le moteur fonctionne à plein régime. Cette disposition permet un réglage efficace de la vitesse de rotation du turbocompresseur et de la pression de suralimentation mais au détri ment, aux régimes élevés, de la consommation spécifique. On risque en outre d'amorcer un pompage du compresseur pour certaines allures. On a aussi proposé une turbine à distributeur à géométrie variable en fonction du régime, le compresseur entrainé étant éven tuellement lui aussi à géométrie variable. Cette solution permet d'adapter le turbocompresseur à tous les régimes de fonctionnement mais convient mal à l'équipement de moteurs de traction du fait qu'elle est onéreuse et compliquée. Une variante consiste à utiliser une turbine axiale centripète dont la volute est divisée par une cloison diamétrale en deux zones annulaires de profondeur égale ou inégale entourant une même zone annulaire de distribution. Un clapet commandé manuellement ou automatiquement permet de distribuer les gaz de combustion soit à l'une, soit à l'autre des deux zones de volutes, soit encore aux deux simultanément.On dispose ainsi du moyen d'assigner deux ou trois valeurs à la vitesse des gaz actionnant la roue de turbine mais ce mode de réglage manque évidemment de souplesse. Outre les inconvénients précités, ces dispositifs de l'art antérieur présentent tous celui de comporter des pièces mobiles soumises à l'action de gaz chauds plus ou moins corrosifs. On a enfin proposé de munir le turbocompresseur d'une canalisation dérivant une fraction du débit d'air délivré par le compresseur dans le distributeur de la turbine et d'un organe de réglage du débit fractionnaire. Au moins une partie du débit d'air ainsi dérivé est réchauffée, avant son admission dans la turbine, par passage dans une chambre de combustion alimentée par le réservoir de combustible du moteur pour maintenir à une valeur convenable la température du mélange gazeux actionnant la turbine. Cette solution est exempte des inconvénients signalés ci-dessus et permet d'agir ainsi en même temps sur la pression aval du compresseur par prélèvement de l'air et sur la quantité de mouvement des gaz d'alimentation de la turbine. L'objet de l'invention est de fournir un dispositif de réglage du régime de rotation d'un turbocompresseur à turbine à gaz et compresseur d'air par admission d'air dans le distributeur de la turbine, ledit turbocompresseur étant notamment destiné à la suralimentation d'un moteur à combustion interne et l'air admis étant avantageusement prélevé dans le flux d'air débité par le compresseur, ledit dispositif ne comportant pas de chambre de combustion de réchauffe de l'air admis, étant par conséquent plus simple et plus fiable que le dispositif précité de réglage par admission d'air et ayant un rendement thermodynamique sensiblement supérieur. Selon l'invention a) l'air pénètre dans le distributeur de la turbine par au moins un orifice dtinjection orienté et dimensionné de telle sorte que le flux d'air est conformé en au moins un jet oblique réduisant la section de passage des gaz et par conséquent accroissant leur vitesse par effet de striction aérodynamique, il n'y a pratique ment pas mélange entre l'air et les gaz dont la température ntest pas affectée ; on obtient ainsi les effets d'un distributeur à géométrie variable par des moyens beaucoup plus simples. b) le débit d'air ainsi délivré est commandé par un organe de régla ge avantageusement asservi à la pression de l'air délivré par le compresseur c) lorsque le turbocompresseur est utilisé pour la suralimentation d'un moteur à combustion interne, des moyens sont prévus pour asservir en outre l'organe de réglage à au moins un paramètre de fonctionnement du moteur. D'autres dispositions et les avantages qui en découlent sont exposés dans la description qui suit d'exemples de réalisa tions en référence aux figures annexées dont - la figure 1 est un schéma succinct montrant le mode de liaison des organes du dispositif de l'invention aux organes d'un turbocom presseur de suralimentation de moteur à combustion interne, - la figure 2a est une demi-section diamétrale d'une turbine radiale centripète à gaz pourvue d'une première forme de réalisation du dispositif de striction aérodynamique de l'invention, - les figures 2b et 2c représentent à plus grande échelle un détail de la figure 2a, ;;'-- la figure 3a est une demi-section diamétrale d'une turbine radiale centripète pourvue d'une deuxième forme de réalisation du dispo sitif de striction aérodynamique de l'invention, - la figure 3b est une section transversale selon un plan a-a d'un détail de la figure 3a, - la figure 4a est une demi-section axiale d'une turbine axiale pourvue du dispositif de striction aérodynamique de l'invention, - la figure 4b est une section transversale selon un plan b-b de la figure 4a, - la figure 5 est un diagramme, - la figure 6 est un diagramme, - la figure 7 est un schéma d'un premier exemple de système de ré gulation comportant le dispositif de l'inventionR - la figure 8 est un schéma d'un deuxième exemple de système de ré gulation comportant le dispositif de l'invention. On se référe tout d'abord à la figure 1. Le moteur à > pmbustion interne 10, par exemple un moteur Diesel, est alimenté en air par un compresseur rotatif 13 par l'intermédiaire d'une cana lisation 11. Le compresseur 1 3 est entrainé par une turbine à gaz 14 par l'intermédiaire d'un arbre 16. La turbine 14 est actionnée par les gaz d'échappement du moteur 10 par l'intermédiaire d'une canalisation 12. Une canalisation 17 pourvue d'un organe 18 de réglage de débit dérive vers le distributeur de la turbine 14 une fraction du débit d'air de la canalisation 11. L'air ainsi dérivé pénètre dans le distributeur de la turbine, dans le trajet des gaz débités par la canalisation 12, au moyen d'un organe injecteur 15. On examine maintenant les moyens pour adapter l'organe d'injection d'air de la turbine à différents types de machines pour obtenir l'effet de striction aérodynamique souhaité. La turbine des figures 2a, 2b et 2c est une machine radiale centripète. La roue 21a munie de ses aubes 21b entraine par l'arbre 22 le compresseur non représenté sur la figure. Dans le carter 23 est ménagée, outre la volute 24 d'admission des gaz entourant les aubages distributeurs 25, une volute 26 connectée par une conduite non représentée à l'organe 18 (figure 1) de réglage du débit d'air dérivé de la sortie du compresseur. La volute 26 délivre l'air dans les -intervalles entre les aubes distributrices 25 par une fente annulaire 27 orientée obliquement et dans le sens amont-aval de circulation des gaz. L'effet de ce dispositif est bien connu des aérodynamiciens.La lame d'air dirigée comme le montre la flèche s'épanouit dans le distributeur en défléchissant les jets de gaz de telle sorte que leur section de passage se trouve rétrécie et leur vitesse d'autant plus élevée que la pression dynamique de l'air est plus élevée. Il y a striction aérodynamique du flux. La figure 2b montre l'allure des courants de gaz en l'absence d'air et la figure 2c--l'allure desdites lignes de courant avec striction par le flux d'air de la fente 27. La détermination de la forme et des dimensions de la fente 27 enfonction des-paramètres de fonctionnement du turbocompresseur et du débit de gaz alimentant la turbine ne pose pas de problème particulier aux hommes de l'art et n'a pas à être développé ici.On se contentera de remarquer que cette action de striction aérodynamique est sensiblement plus efficace, du point de vue du rendement thermodynamique et du fait qu'elle ne provoque pas d'augmentation d'entropie, qu'un simple mélange d'air et de gaz au niveau du distributeur. Dans une variante illustrée par les figures 3a et 3b, l'air peut etre injecté dans une turbine du même type au travers de fentes ménagées dans l'extrados des aubes du distributeur. Le carter 33 formant la volute 34 d'amenée de gaz et la volute 36 d'amenée d'air entoure les aubes 3tb portées par la roue 31a. Les aubes fixes 35 du distributeur sont creuses. Elles comportent des canaux 37 alimentés en air par la volute 36. Les canaux 37 débouchent dans les extrados des aubes fixes 35 par des fentes 38 orientées selon une génératrice. L'effet de striction aérodynamique (figure 3b) s'exerce dans les sections de veines limitées par les extrados et les intrados. Les fentes peuvent aussi etre ménagées dans l'intrados de chaque aube. L'injection d'air par les aubages fixes peut etre utilisée dans une turbine axiale comme le montrent les figures 4a et 4b. Le compresseur est entrainé par la roue de turbine 42a porteuse des ailettes mobiles 42b. Dans les aubes fixes 41b encastrées par leurs talons 41a dans le carter 43 sont ménagés des canaux longitudinaux 45. Ceux-ci sont alimentés en air, par exemple par des tronçons de canaux 44 ménagés dans les talons 41a et communiquant entre eux pour constituer un canal circulaire alimenté en air par la conduite 17 (figure 1) non représentée ici. Les canaux 45 débouchent dans les extrados des aubes fixes 41b par des fentes 46 orientées selon les génératrices des profils. L'effet de striction aérodynamique s' exerce par réduction de la section des passages des gaz entre intrados et extrados.La partie supérieure de la figure 4b montre les lignes de courant des gaz en l'absence d'air de striction et la partie inférieure les memes lignes défléchies sous l'effet de la striction. Les dispositions décrites ci-dessus pour adapter llinven- tion aux turbines radiales centripètes sont évidemment valables pour les machines radiales centrifuges. L'injection d'air peut s'effectuer par des fentes en arc de cercle ménagées à la périphérie du canal d'entrée ou des fentes rectilignes ménagées dans les aubages distributeurs. La figure 5 est un diagramme comparatif montant l'effet de l'invention sur le fonctionnement du moteur et du compresseur. La vitessende rotation du moteur est en abscisses et le couple moteurC en ordonnées ; la courbe a est relative à un moteur sans dispositif de suralimentation. Le cauple moteur est d'autant plus faible que la vitesse de rotation est plus élevée. La courbe b montre l'effet d'un dispositif de suralimentation à débit commandé uniquement par le débit des gaz d'échappement. Le couple moteur est maximal pour les régimes élevés mais décroît rapidement aux faibles régimes. Un tel moteur est donc mal adapté à l'emploi en traction. La courbe c est relative à l'utilisation d'un turbocompresseur à vitesse réglable de façon continue comme le permet l'invention. Le couple moteur est pratiquement constant pour tous les régimes. Mais, par le jeu de l'organe distributeur 18 de la figure 1, on peut également adopter tout régime intermédiaire entre b et c.L'allure de la courbe c peut être obtenue au moyen d'un distributeur à géométrie variable de l'art antérieur comme on a déjà dit au début de la présente description. Mais l'invention permet d'obtenir les mêmes résulats par des moyens beaucoup plus simples, plus sûrs et moins onéreux. En outre1 comme le montre la figure 6, le dispositif de l'invention permet d'adapter le fonctionnement du compresseur aux différents régimes de rotation du moteur. En abscisses du diagramme de la dite figure sont portés les débits d'air Q de sunalimentation et en ordonnées les pressions P correspondantes. La courbe p est la courbe de pompage du compresseur et les courbes c les caractéristiques pression-débit pour différents régimes de rotation. Les points m1 , m2 et n3 sont des points de fonctionnement du; moteur (débit et pression d'air).En l'absence du dispositif de striction aérodynamique de l'invention, les points de fonctionnement du compresseur co1n- cident avec ceux du moteur et se trouvent placés par exemple en m1 à faible régime et en m à régime élevé. Avec le dispositif de striction de l'invention, le point de fonctionnement du moteur à faible régime passe de m1 à m3. Mais, du fait de la consommation d'air demandée par la striction, le point de fonctionnement du compresseur est non plus en m3 mais en m4 La distance m3 - m4 mesure le débit d'air dérivé vers la turbine. Aux bas régimes, l'invention permet donc d'éloigner les points de fonctionnement du compresseur de la ligne de pompage et le choix du point nominal de fonctionnement en est ainsi facilité. La figure 7 montre l'intégration du dispositif de l'invention dans un système régulateur du genre dit "Mini-Maxi" dont la grandeur de consigne est la valeur du couple moteur. Le conducteur affiche ladite valeur de consigne par une manette qui commande la position du pignon d'injection de carburant et de la vanne de dérivation d'air vers la turbine et par conséquent la vitesse de rota tion de la turbine et la pression de suralimentation. On sait que la position du pignon de l'injecteur impose dans un moteur Diesel la quantité de combustible injectée par cycle et détermine par conséquent approximativement le travail fourni par cycle ainsi que le couple.La position du pignon et l'ouverture de la vanne sont corrigées en fonctionnement par un dispositif associant un tachymètre et une capsule manométrique pour faire varier le débit de combustible et la pression de l'air injecté en fonction de la vitesse du moteur. Sont représentés schématiquement dans la figure 7 le moteur 10, le compresseur 13 et la turbine 14 de la figure 1. L'organe de commande de débit d'air 18 de la figure 1 est dans la figure 7 constitué par une vanne 181 à clapet 182 dont la tige de clapet se termine à l'extérieur par une butée 184 et est rappelée en position de fermeture par un ressort 183. Une capsule manométrique 120 est en communication avec la sortie du compresseur, par la chambre de la vanne 181 par exemple au moyen d'une canalisation 121. Un dispositif d'accouplement en rotation représenté ici par une ligne 101 en traits mixtes assure la commande d'un arbre 113 par l'arbre du moteur 10. Sur l'arbre 113 sont montés, d'une part un régulateur centrifuge 114 commandant la translation d'un fourreau à butée 115 autour de l'axe 113 et, d'autre part, un tachymètre centrifuge 131. L'injection de combustible dans le moteur, non représentée sur la figure, est commandée par une crémaillère 111 actionnant le pignon de commande 112 dont la rotation dans le sens trigonométrique inverse dans le plan de figure augmente le débit injecté. Le conducteur affiche la consigne de couple au moyen d'une manette 116 actionnant un levier 118 à excentrique 117, le levier 118 pouvant pivoter avec liberté de translation autour d'un point fixe au moyen d'un oeil 119. La tringlerie accouplant ces organes est constituée par des leviers 141 à 147 et des bielles 151 à 155 dont les liaisons sont réalisées, sauf indication contraire, avec liberté de rotation dans un plan parallèle au plan de figure. Le levier 141 pouvant pivoter dans -sa zone médiane autour d'un point fixe lie le fourreau 115 à une bielle T;51. Celle-ci lie le levier 141 à un levier 142. Celui-ci lie la bielle 151 à la crémaillère 111. Il est lié par un point médian à une extrémité d'une bielle 152. Celle-ci est liée par son autre ex extrémité à un levier 143 qui lie la bielle 152 à une tige coulissante 132 à butée rappelée par un ressort 133 et poussée par le tachymètre 131. Le levier 143 est lié par un point médian à une extrémité d'une bielle 153.Un levier 144, lié par un point médian à l'autre extrémité de la bielle 1 53 relie le levier 1 1 8 à excentrique à une extrémité d'une bielle 154 dont l'autre extrémité est liée à une extrémité du levier 145. L'autre extrémité de celui-ci, qui pivote autour d'un point fixe dans sa région médiane, est liée à une extrémité d'un levier 146 lié par son autre extrémité à la capsule manométrique 120 et par un point de sa région médiane à une extrémité d'un levier 147. L'autre extrémité du levier 147 est liée à une extrémité d'une bielle 155 dont l'autre extrémité est liée à l'articulation entre les leviers 118 et 144. Le levier 147 est muni, dans sa région médiane, d'une butée 148 disposée en face de la butée 184 de la tige de clapet de la vanne 181. Au repos, un jeu de valeur déterminée est ménagé entre les deux butées. Les directions et sens de mouvement de ces organes en fonctionnement sont indiqués par les flèches dont le pied est adjacent à un repère littéral. Comme on l'a dit, la valeur de consigne de couple est com- mandée par la manette 116. Quand le conducteur désire augmenter ladite valeur de consigne il actionne la manette 116, et par cet intermédiaire, les leviers et bielles 118, 144, 153, 143, 152 et 142 dans le sens a ainsi que la crémaillère 111 et le pignon 112. Le débit d'injection augmente. Mais le levier 118 actionne aussi dans le sens a la bielle 155 et le levier 147. Dès que la valeur affichée de consigne de couple dépasse une valeur prédéterminée qui est fonction du jeu au repos entre les butées 148 et 184, le levier 147 ouvre le clapet 182 de la vanne 181. Une fraction du débit d'air du compresseur 13, déterminée elle aussi par le couple de consigne, est ainsi dirigée vers l'organe de striction aérodynamique de l'alimentation en gaz d'échappement de la turbine 14.Si la pression de suralimentation devient insuffisante, par rapport au débit de carburant injecté, la capsule 120 se rétracte, la butée 148 appuie davantage sur la butée 184 et le clapet 182 pour augmenter le débit d'air dérivé dans la turbine. Lorsque la pression de suralimentation tend à dépasser la valeur admise, la capsule 120 se dilate et provoque ainsi le déplacement ou le mouvement dans le sens des flèches c des leviers et bielles 146, 147, 145, 154, 144, 153, 143, 152 et 142, du clapet 182, de la crémaillère 111 et du pignon 112 pour réduire et fermer le débit d'air dérivé dans la turbine 14 et augmenter le débit de carburant injecté. Ainsi, la quantité de carburant injecté varie en fonction de la vitesse de croissance relativement lente de la vitesse de rotation de- la turbine 14 et n'est jamais surabondante ce qui limite le taux d'imbrûlés et l'émission de fumées.Le cycle de régulation se poursuit ainsi jusqu'à ce que le couple moteur atteigne la valeur de consigne. Le tachymètre centrifuge 131 exerce une action complémentaire pour tenir compte du fait que la quantité de carburant brûlée par cycle diminue quand la vitesse de rotation croit. Lorsque la vitesse de rotation du moteur augmente, ledit tachymètre agit dans le sens des flèches d sur la bielle 132, les leviers et bielles 143, 152, 142 et sur la crémaillère 111 pour ralentir la vitesse d'augmentation de débit d'injection. Enfin le régulateur centrifuge 114 limite la vitesse maximale. il est pourvu de ressorts rigides qui-n'autorisent l'écartement des masses qu'à régime élevé. Lorsque la vitesse limite est atteinte, le régulateur 114.;agit sur le fourreau 115, les leviers 141, 151, 142, et sur la crémaillère 111 et le pignon 112 dans le sens des flèches b pour réduire -le débit de carburant. La figure 8 est relative à l'utilisation du dispositif de l'invention dans un système, du genre dit "Toutes vitesses", de régulation de la vitesse de rotation du moteur. La grandeur de consigne est le vitesse de rotation affichée par le conducteur au moyen d'une manette. Celle-ci sollicite un ressort de compression qui tend à ramener les masses d'un régulateur centrifuge vers la position de repos. Un levier dont la position est équilibrée par les sollicitations de sens contraire du ressort et du régulateur agit sur le dispositif d'injection et sur la vanne dey.passage de l'air dérivé vers la turbine. Une capsule manométrique corrige ltouverture de la vanne pour obtenir la pression de suralimentation correspondant au débit de carburant. Le système de la figure 8 comporte comme celui de la figure 7 la vanne 181 réglant le débit d'air dérivé du compresseur 13 vers la turbine 14, la capsule manométrique 120, la liaison en rotation 101 entre le moteur 10 et l'arbre 113, les leviers et bielles 142, 145, 146, 147 ainsi que la butée 148 agissant sur la crémaillère 111 et le pignon de commande d'injection 112 et sur le clapet 1 82 de la vanne 181. Mais ici les deux extrémités du levier 142 sont respectivement liées avec liberté de rotation et par l'intermédiaire de bielles 161 et 162, à celles des extrémités des leviers 145 et 147 qui ne sont pas liées au levier 146. Le régulateur centrifuge 171 à masses 172 est entrainé par l'arbre 113. Une manette d'affichage 160 de vitesse de consigne pivotant autour d'un point fixe appuie sur une butée 176 qui transmet la poussée par l'intermédiaire d'un ressort 175 et de la butée 174 d'un arbre 173, d'une part aux leviers 178 solidaires des masses 172 du régulateur 171 et d'autre part, par une fourche 177, à une extrémité d'un levier 163 pivotant autour d'un point fixe et dont l'autre extrémité est liée à l'articulation du levier 142 et de la bielle 161. Le mouvement de la manette 160 dans le sens indiqué par la flèche e correspond à une augmentation de la vitesse de consigne. Le levier 163 prend la position d'équilibre correspondant à des valeurs égales des poussées exercées par le ressort 175 et le régulateur 171. Si la vitesse du moteur diminue, la poussée du régulateur diminue également et l'action du ressort 175 déplace les leviers 163, 142 ainsi que la crémaillère 111 et le pignon 112 dans le sens e qui correspond à l'augmentation de débit de carburant rétablissant la vitesse désirée. Le levier 163 commande en même temps, par la bielle 161 et le levier 147, l'ouverture de la soupape 182. Le mécanisme de l'action de la capsule manométrique 120, d'une part sur le pignon de commande d'injection 112 par l'intermédiaire des bielles ou leviers 146, 145, t62 et 142 et de la crémaillère 111, d'autre part sur la vanne 181 par l'intermédiaire de la butée 148 du levier 147 est identique au mécanisme décrit en référence à la figure 7. REVENDICATIONS 1. Procédé pour commander la pression de suralimentation d'-bn moteur à combustion interne équipé d'un turbocompresseur de suralimentation dont la turbine est actionnée par les gaz d'échappement du moteur, de l'air comprimé étant injecté, outre les gaz, dans le distributeur de ladite turbine pour en accélérer la vitesse de rotation, ledit procédé étant caractérisé en ce que l'air est injecté sous la forme d'au moins un jet dirigé obliquement sur le flux de gaz admis dans le distributeur et dans le même sens que ledit flux pour restreindre sa section efficace de passage afin d'augmenter sa vitesse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux d'air injecté dans le distributeur de la turbine est prélevé sur le flux d'air comprimé par le compresseur. 3.'Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le débit du flux d'air injecté dans le distributeur est modulé en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'un des paramètres de fonctionnement du moteur utilisé pour moduler le débit d'air injecté est la pression de suralimentation en sortie du compresseur. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'un des paramètres de fonctionnement utilisé pour moduler le débit d'air injecté est la vitesse de rotation du moteur. 6. Turbine à gaz destinée à être actionnée par des gaz de combustion de moteur, ladite turbine comportant, débouchant dans le passage d'admission des gaz, au moins un orifice d'admission d'air comprimé et étant caractérisée en ce que chaque orifice d'admission d'air comprimé est une fente orientée obliquement dans le sens de passage des gaz pour restreindre leur section efficace de passage et augmenter leur vitesse.