Brevet FR2552815A1 — publié le 19850405

Turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement sur moteur à combustion interne suralimenté. La présente invention concerne un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement monté sur un moteur à combustion interne suralimenté, avec une turbine de compresseur reliée au collecteur d'échappement du moteur à combustion interne et optimisée pour le fonctionnement de celui-ci à charge partielle, avec une turbine de récupération séparée, fournissant de la puissance et pouvant être mise hors service. On utilise des turbocompresseurs de suralimentation à gaz d'échappement avec une turbine de récupération soit pour améliorer la consommation spécifique de carburant, soit pour optimaliser le fonctionnement du moteur en cas d'utilisation avec des conditions climatiques très différentes. Dans la demande de brevet CH 2076/82-7 on décrit le procédé qui consiste à dimensionner la section de tuyère de la turbine de compresseur pour un certain domaine de fonctionnement à charge partielle, c'est-à-dire à en réduire les dimensions comparativement au dimensionnement pour la pleine charge. Une telle disposition provoque, à charge partielle, un accroissement de la pression dans le collecteur d'échappement. Ainsi, déjà dans le domaine de fonctionnement à charge partielle, on dispose à l'entrée de la turbine de compresseur d'une énergie suffisante pour obtenir dans le compresseur lui-même la pression de suralimentation désirée. La pleine efficacité de cette méthode est obtenue en prévoyant la possibilité de mettre hors service la turbine de récupération. Le système de suralimentation avec turbine de récupération décrit dans le présent document permet ainsi d'obtenir une meilleure consommation de carburant sur toute l'étendue de la courbe caractéristique de l'hélice et un meilleur comportement du moteur à charge partielle. Lorsque pour le fonctionnement à charge partielle on met hors service la turbine de récupération (clapet ouverture/fermeture dans le tuyau d'échappement), on peut améliorer les paramètres de fonctionnement à charge partielle. Quand on utilise le système de suralimentation avec turbine de récupération, la charge mécanique du moteur reste la même. Au point correspondant à la pleine charge les températures augmentent légèrement, on peut cependant les rabaisser avec une légère réduction de la puissance. On peut en conclure que le moteur suralimenté ne nécessite aucune modification, puisqu'il n'est même pas nécessaire de retoucher la distribution. I1 va de soi qu'il faut adopter là des dimensionnements différents de la turbine du turbocompresseur, selon que l'on prévoit pour la turbine de récupération un montage en série ou en parallèle. Le problème à résoudre avec ce dispositif consiste à transformer l'énergie potentielle des gaz d'échappement en une puissance mécanique. La turbine de récupération, qui doit travailler avec des rapports de pressions élevés et des débits massiques relativement faibles, a une vitesse de rotation très élevée, qu'il faut obligatoirement réduire à une valeur utilisable, si l'on veut présenter la puissance qu'elle fournit sous une forme convenable pour le système. D'autre part, il ne faut pas perdre de vue que la turbine de récupération est une exécution spéciale, d'un prix de revient qui est hors de proportions comparativement aux autres parties du dispositif, ce qui ne peut guère être favorable au choix et à la mise en oeuvre d'un tel montage. C'est là que la présente invention apporte des remèdes. Selon la présente invention, comme turbine de récupération on utilise une turbine de compresseur équipée d'un réducteur de vitesse à engrenages pour réaliser la liaison avec le moteur à combustion interne. Selon une variante de l'invention, un embrayage hydraulique est prévu entre la sortie du réducteur de vitesse et le moteur à combustion interne, selon une autre variante, ledit réducteur de vitesse entraîne une pompe hydraulique. On résout ainsi le problème visé, qui consiste à rajouter à un moteur suralimenté fonctionnant avec un turbocompresseur à gaz d'échappement du genre décrit ci-dessus, un turbogroupe de récupération compact, simple et économique. Pour arriver à ce résultat, on prend un turbocompresseur de suralimentation pour moteur à combustion interne identique ou d'un type de série plus petit, avec des paliers intérieurs, et on remplace le compresseur de celui-ci, avec son carter d'admission et d'échappement par un réducteur de vitesse. Une roue dentée solidaire de l'arbre de la turbine est en prise avec un jeu d'au moins trois pignons planétaires, de manière que cet engrènement agisse pour l'arbre comme un palier support supplémentaire. Les étages d'engrenages qui suivent réduisent la vitesse de rotation jusqu'aux valeurs désirées et déterminent le sens de rotation convenable de l'arbre d'entrainement du reducteur. L'avantage important de l'invention consiste en ce que l'on peut utiliser comme turbine de récupération un type identique à celui de la turbine du compresseur déjà montée sur le moteur ou d'un type de série plus petit. Il est possible aussi, sans modifications notables, d'équiper ladite turbine d'un train d'engrenages, ce dernier pouvant être monté à la place du compresseur qui a été élevé, de manière à former un ensemble avec la turbine de turbocompresseur. Selon une réalisation préférée de l'invention, l'arbre d'entrainement de la turbine de compresseur de suralimentation fournissant de la puissance et pouvant être mise en ou hors service, ou bien l'arbre d'entrainement du train d'engrenages, est relié à l'arbre d'une boite d'engrenages du moteur à combustion interne par l'intermédiaire d'un embrayage à fluide, grâce à quoi la turbine se trouve découplée du moteur à combustion interne pour ce qui concerne les oscillations de torsion. Ceci permet aussi de tolérer de petites erreurs d'alignement ou angulaires. L'embrayage à fluide présente en outre l'avantage de pouvoir être vidé lorsque l'on met la turbine de turbocompresseur hors service, de sorte que celle-ci n'est plus entraînée alors par le moteur à combustion interne. Cette solution est économique, car le rendement de la transmission atteint 96 à 98 % ; on minimise ainsi la consommation de carburant. Selon une autre réalisation préférée de l'invention, l'arbre d'entrainement de la turbine de compresseur de suralimentation pouvant être mise en ou hors service, ou celui de son train d'engrenages, entraîne une pompe hydraulique. Grâce à-cette solution on peut choisir à volonté l'emplacement du groupe turbine de compresseur. L'huile sous pression est acheminée dans un moteur hydraulique qui transmet la puissance au moteur à combustion interne. Dans le dessin on a représenté schématiquement un exemple de réalisation de l'invention, ainsi que les variantes préférées, selon l'invention, pour la transmission de la puissance. Les différentes figures montrent respectivement Fig. 1 un schéma de principe, avec le couplage en parallèle du turbocompresseur de suralimentation et d'une turbine de turbocompresseur fournissant de la puissance et pouvant être mise en ou hors service Fig. 2 la transmission de la puissance entre la turbine de turbocompresseur de suralimentation et le moteur à combustion interne, à l'aide d'un embrayage à fluide. Fig. 3 la même transmission de puissance à l'aide d'une pompe hydraulique. Dans toutes ces figures les mêmes éléments ont toujours été affectés d'un même repère. Le sens d'écoulement des fluides actifs est indiqué avec des flèches. On a laissé de côté les éléments qui ne présentent pas d'importance pour l'invention, tels par exemple, et en particulier dans la figure 1, que la représentation à l'échelle du turbocompresseur de suralimentation et de la turbine de turbocompresseur fonction de la puissance pouvant être mise hors service. Le système d'un couplage en parallèle représenté dans la fig. 1 se compose du moteur à combustion interne 1 qui est alimenté en air surpressé par le compresseur 2 d'un turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement. L'entraînement du compresseur est assuré par la turbine 3, qui est actionnée par les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 1. La turbine de compresseur 3' qui fournit de la puissance et qui peut être mise hors service est une turbine jumelle de la turbine de compresseur 3 et, par l'intermédiaire du train d'engrenages 8, elle fournit de la puissance mécanique au système. Dans la tubulure d'alimentation de la turbine de compresseur 3' est inséré un organe de coupure simple 7 qui se ferme, automatiquement de préférence, pour une valeur prédéterminée ajustable de charge partielle. I1 va sans dire que l'on peut également prévoir un couplage en série. Si grâce au bon rendement du turbocompresseur de sura limentation,la pression de balayage disponible sur un moteur diesel 1 est supérieure à la pression absolument nécessaire pour le balayage du moteur, on peut utiliser le système de suralimentation avec la turbine de turbocompresseur 3' servant de turbine de récupération. Avec une pression de charge constante dans la chambre 4 on augmente alors la contrepression des gaz d'échappement dans le collecteur des gaz d'échappement 5 dans la mesure nécessaire pour parvenir à la valeur minimale de la difference de pression nécessaire pour assurer le bala yage du moteur diesel 1. Du fait de la pression plus élevée des gaz dans le collecteur d'échappement 5, on peut disposer d'une partie plus grande de l'énergie potentielle des gaz d'échappement.Pour une même valeur de la pression d'admission dans le collecteur 4, la turbine 3 du compresseur de suralimentation n'a donc besoin que d'une partie de l'énergie disponible dans les gaz d'échappement, on utilise le reste dans l'autre turbine 3'. Si le rendement global de la turbine 3' est suffisamment élevé, les pertes liées au mouvement des gaz du fait de l'accroissement de la contrepression peuvent être plus que compensées. I1 en résulte pour l'ensemble du système un rendement global plus élevé. Pour que la contrepression des gaz d'échappement s'établisse à un niveau plus élevé, il faut que la section de passage totale, après l'adjonction de la turbine de compresseur 3' soit plus petite que dans le cas de l'installation initiale. Du fait de la réduction de la section de tuyère, on obtient un comportement plus favorable à charge partielle et, par conséquent une pression d'admission plus élevée aux charges partielle de l'hélice. De plus, à charge partielle on a encore la possibilité de couper l'alimentation de la turbine 3' montée en parallèle, ou bien de contourner ladite turbine 3' dans le cas, non représenté, où elle serait montée en serie. La section de passage résultante se trouvera de ce fait réduite en conséquence ou bien la chute d'enthalpie s'en trouvera augmentée, ce qui se traduira par un fort accroissement de la pression d'admission. Pour la détermination du point à pleine charge, le fait que l'on utilise un système de suralimentation avec une turbine de compresseur en parallèle ou bien avec la dite turbine en série ne joue aucun rôle : la valeur déterminée de la contrepression des gaz d'échappement détermine la puissance isotropique que l'on peut obtenir avec une turbine de compresseur de suralimentation 3'.Dans l'ensemble, on peut dire qu'avec les conditions marginales des moteurs modernes, fortement suralimentés et avec les turbocompresseurs actuellement utilisés, sur la turbine de compresseur qui fournit de la puissance et qui peut être mise hors service on obtient de 10 à 15 pour cent de la puissance isotropique totale des gaz d'échappement, ce qui correspond à un gain effectif de 2 à 3 pour cent sur la puissance du moteur. Cette turbine de compresseur de suralimentation montée en parallèle ne traite qu'un faible débit massique avec un rapport de pressions élevé. C'est donc une petite turbine à grande vitesse de rotation, dont il faut réduire la vitesse de rotation a une valeur utilisable. En revenant à l'exemple de réalisation selon la figure 1, on voit que pour cela on a intégré à la turbine de compresseur 3' un train d'engrenages 8 avec un rapport de réduction élevé. Ceci se fait d'une manière judicieuse en prenant un groupe turbocompresseur 2, 3 identique et en remplaçant son compresseur, son carter d'admission et son carter de refoulement par le réducteur de vitesse 8 précité. Une roue dentée solidaire de l'arbre de la turbine de compresseur 3' est en prise avec un jeu de roue dentées faisant partie du train d'engrenages8etcomprenantauminimum trois pignons planétaires, de sorte que cet engrenementagit comme un palier sup- plémentaire supportant l'arbre.Ainsi donc le système comporte, par exemple, deux turbines de compresseur 3, 3' identiques l'une de ces deux turbines, d'une part, est complétée par le compresseur 2 et constitue avec celui-ci le turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement ; l'autre par contre est complétée par le train d'engrenages 8 et constitue la turbine de récupération de ce montage. I1 est possible, pour le montage du compresseur 2 et du train d'engrenages 8, de prévoir des brides de fixation interchangeables. Dans la Figure 2 on peut voir comment on peut, avec une turbine de compresseur 3' couplée en parallèle, réaliser la transmission directe de la puissance à la boîte d'engrenages 13 du moteur à-combustion interne 1 qui n'est pas représenté. Lorsque les conditions de montage le permettent, le plus avantageux est d'appliquer la puissance de la turbine de compresseur directement à l'arbre 11 de la boîte d'engrenages 13 du moteur. I1 faut dans ce cas que l'arbre d'entrainement 9 du train d'engrenages 8 soit relié à l'arbre 11 de la boîte d'engrenages 13 du moteur au moyen d'un embrayage à fluide 10. On réalise ainsi un découplage de la turbine de compresseur 3', pour ce qui concerne les vibrations de torsion du moteur 1, et ceci permet aussi de tolérer lors du montage de petites erreurs d'alignement ou de positionnement angulaire. L'embrayage à fluide 10 présente en outre l'avantage de pouvoir être vidé de son liquide lorsque la turbine de compresseur 3' n'est pas en service, de sorte que celle-ci n'est plus entraînée alors par le moteur 1 ni par le boîte d'engrenages 13. Le système de transmission de la puissance, tel qu'on l'a représenté dans la Fig. 3, convient lorsque les conditions de montage ne permettent pas de relier directement la turbine 3' directement à la boite d'engrenages 13. Dans ce cas, par l'intermédiaire du train d'engrenages 8 la turbine 3' entraine la pompe hydraulique 12. L'huile sous pression arrive à un moteur hydraulique, non représenté, qui délivre sa puissance au moteur à combustion interne 1. REVENDICATIONS 1. Turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement monté sur un moteur à combustion interne suralimenté, avec une turbine de compresseur reliée au collecteur d'échappement du moteur à combustion interne et optimisée pour un fonctionnement à charge partielle et avec une turbine de récupération séparé, pouvant être mise hors service et fournissant de la puissance caractérisé par le fait que la turbine de récupération (3') est une turbine de compresseur, qui est équipée d'un train d'engrenages (8) assurant la liaison avec le moteur à combustion interne tel). 2. Turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'arbre d'entrainement (9) du train d'engrenages (8) est relié au moyen d'un embrayage à fluide (10) à l'arbre (11) du moteur à combustion interne tel). 3. Turbocompresseur de suralimentation à gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'arbre d'entrainement (9) du train d'engrenages (8) entraîne une pompe hydraulique (12).