Brevet FR2578581A1 — publié le 19860912

[ Turbocompresseur pour moteur diesel et procédé de commande d'un tel turbocompresseur La présente invention concerne un turbocompres- seur pour un moteur diesel et un procédé de commande de ce turbocompresseur, et plus particulièrement un turbocompres- seur pour un moteur diésel, comprenant une chambre logeant une turbine de gaz d'échappement et communiquant avec le tu- yau d'échappement d'un moteur diésel et munie d'une roue de turbine motrice, et une chambre logeant une soufflante et comportant une volute communiquant avec la tubulure de ba- layage du moteur et munie d'une roue de soufflante tournant d'un seul tenant avec la roue de turbine motrice en étant coaxiale à cette dernière, et un procédé de commande d'un tel turbocompresseur. Un turbocompresseur de ce type, qui est destiné à envoyer de l'air à haute pression à un moteur diésel, agit de manière à accroître la puissance de sortie du moteur et à améliorer le rendement de combustion de ce dernier. Cepen- dant, pendant un fonctionnement du moteur diésel sous char- ge partielle, le point de fonctionnement du turbocompres- seur s'écarte d'un point de fonctionnement préréglé, ce qui entraîne un rendement réduit du turbocompresseur ainsi qu'un rendement de combustion réduit du moteur. Les tentatives, qui ont été faites jusqu'alors pour supprimer une telle difficulté, consistent par exemple à prévoir un papillon d'aspiration dans le passage d'air, en amont de la chambre de la soufflante, le papillon d'as- piration étant commandé par l'intermédiaire d'une unité de commande en fonction de la pression détectée dans le passa- ge d'air en aval de la chambre de la soufflante, et en fonc- tion d'autres paramètres de fonctionnement comme par exem- ple la vitesse du moteur diesel et analogue. Mais avec un tel agencement, on ne peut pas obtenir une commande précise du turbocompresseur étant donné que le débit et la pression de l'air d'alimentation sont réglés uniquement par le papil- lon d'aspiration. Ainsi on n'a obtenu aucun succès notable dans l'amélioration du rendement du turbocompresseur ou du rendement de combustion du moteur diesel. La présente invention a pour but principal de réa- liser un turbocompresseur pour moteur diesel, qui supprime le problème mentionné précédemment, et un procédé de com- mande de ce turbocompresseur. Conformément à un premier aspect de l'invention, il est prévu un turbocompresseur pour un moteur diesel, ca- ractérisé en ce qu'il comporte une chambre logeant la tur- bine des gaz d'échappement et communiquant avec le tuyau d'échappement d'un moteur diesel et munie d'une roue de tur- bine motrice, une chambre logeant une soufflante et compor- tant une volute communiquant avec la tubulure de balayage du moteur diesel et munie d'un rotor de soufflante pouvant tourner d'un seul tenant avec la roue de turbine motrice en étant monté coaxialement à cette dernière,des aubes directrices variables de refoulement disposées dans la chambre de loge- ment de la turbine en amont de la roue de la turbine, des aubes directrives variables pour l'air d'admission, dispo- sées dans la chambre logeant la soufflante, en amont du ro- tor de soufflante, des aubes variables formant diffuseur de sortie et disposées dans la chambre logeant la soufflan- te, entre le rotor de soufflante et la volute, et des pre- mier, second et troisième moyens d'entraînement servant à commander respectivement les aubes directrices de refoule- ment, les aubes directrices pour l'air et les aubes formant diffuseur, conformément aux paramètres de fonctionnement du turbocompresseur et du moteur diesel. Conformément à l'agencement mentionné ci-dessus, il est possible de commander les aubes directrices de refou- lement, les aubes directrices pour l'air et les aubes for- mant diffuseur en fonction des exigences spécifiques dé- terminées par les paramètres de fonctionnement, de sorte que les conditions de fonctionnement du turbocompresseur puis- sent être réglées de façon précise et variable de manière à maintenir le moteur diésel & tout moment dans des condi- tions de fonctionnement idéales.- Conformément à un second aspect de l'invention, il est prévu un procédé de commande du turbocompresseur dé- fini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il consiste à envoyer à une unité de commande programmée d'avance, des paramètres de fonctionnement incluant les positions respectives des au- bes directrices de refoulement, des aubes directrices de l'air et des aubes formant diffuseur, la vitesse du tur- bocompresseur, la pression et la température de sortie de la chambre logeant la soufflante, la pression interne dans la volute, sur le pourtour extérieur de cette dernière, la différence de pression dans la volute entre ses pourtours extérieur et intérieurla température d'admission dans la chambre logeant la turbine des gaz d'échappement, la pression interne dans un refroidisseur d'air raccordé à la tubulure du balayage du moteur diesel, la vitesse du moteur diésel et le débit de carburant envoyé à ce moteur, et à commander les aubes directrices de refoulement, les aubes directrices pour l'air et les aubes formant diffuseur, conformément aux instructions délivrées par l'unité de commande. Le procédé de commande mentionné ci-dessus est ba- sé sur le fait que trois types d'aubes permettent une com- mande précise et variable du turbocompresseur, et est prévu pour l'utilisation de différents paramètres de fonctionne- ment compatibles avec une liberté accrue de commande. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après d'une forme de réalisation préférée, prise en réfé- rence aux dessins annexés, sur lesquels: - - la figure 1 est un schéma d'un turbocompresseur conforme à l'invention, représenté en liaison avec un mo- teur diésel; - la figure 2 est une vue de face montrant les au- bes directrices de refoulement de ce turbocompresseur; - la figure 3 est une vue de face montrant les au- bes directrices pour l'air de ce turbocompresseur; - la figure 4 est une vue de face montrant les au- bes formant diffuseur de ce turbocompresseur; - la figure 5 est un chronogramme illustrant un mode de fonctionnement, donné à titre d'exemple, du moteur diésel; et - la figure 6 est un organigramme illustrant un mode de commande, donné à titre d'exemple, du turbocompres- seur. Sur la figure 1 un moteur diésel l et un turbocom- presseur 2, qui lui est raccordé, sont commandés de façon optimale par une unité de commande 3. Le moteur diésel i possède en soi un agencement connu et est agencé de-telle sorte que le déplacement alter- natif despistons6 (dont l'un seulement est représenté)à l'in- térieur de cylindres5 est transformé en le mouvement de ro- tation d'un vilebrequin 4 situé au-dessous des pistons. La référence 7 désigne un tuyau d'échappement, la référence 8 une tubulure de balayage et la référence 8a un refroidis- seur d'air raccordé à la tubulure de balayage 8. Le turbocompresseur 2, qui constitue la partie principale de la présente invention, comporte une chambre 9 logeant une turbine des gaz d'échappement et une chambre 10 logeant une soufflante. La chambre 9 logeant la turbine comporte une admission 11 qui communique avec le tuyau d'é- chappement 7 du moteur 1 par l'intermédiaire d'une canali- sation 13 de liaison au tuyau d'échappement, et une sortie 12.Unercuemotrioe 14 de la turbine est disposée de façon à pou- voir tourner à l'intérieur de la chambre 9 logeant la tur- bine et possède un arbre de sortie 14a faisant saillie à l'intérieur de la chambre 10 logeant la soufflante. Des au- bes directrices de refoulement 14, qui s'étendent radiale- ment et dont chacune peut tourner autour d'un axe perpendi- culaire à l'axe 14a de la turbine, sont disposées selon une disposition en anneau, comme représenté sur la figure 2, à l'intérieur de la chambre 9 logeant la turbine, en amont de la roue 14 de la turbine. Les aubes 15 sont entraînées en rotation par des premiers dispositifs d'entraînement 16. La position angulaire en rotation des aubes 15 est détectée par un premier détecteur d'angle de rotation A1a La chambre 10 logeant la soufflante comporte une admission 18 et une volute 19 possédant une sortie 19a qui communique avec la tubulure de balayage 8 du moteur 1 par l'intermédiaire d'une canalisation d'adduction d'air 20 Un rotor 21 de la soufflante, qui est fixé à l'arbre 14a de la turbine, est disposé à l'intérieur de la chambre 10 logeant la soufflante. Des aubes directrices 22 pour l'air d'admis- sion, qui s'étendent radialement et dont chacune peut tour- ner autour d'un axe perpendiculaire à l'arbre 14a de la tur- bine, sont disposées selon une disposition en anneau, comme représenté sur la figure 3e à l'intérieur de la chambre 10 logeant la soufflante, en amont du rotor 21 de cette der- nière. Les aubes 22 sont entraînées en rotation par des se- conds dispositifs d'entraînement 23. La position angulaire en rotation des aubes 22 est détectée par un second détec- teur d'angle de rotation A2. En outre,des aubes 25 qui for- ment diffuseur de sortie et dont chacune peut tourner au- tour d'un axe parallèle à l'arbre 14a de la turbine, sont disposées selon une disposition en anneau (figure 4) dans la chambre 10 logeant la soufflante, entre le rotor 21 et la volute 19. Les aubes 25 peuvent être entraînées par des troisièmes dispositifs d'entraînement 26. La position angu- laire en rotation des aubes formant diffuseur 25 est dé- tectée par un troisième détecteur d'angle de rotation A3. L'unité de commande 3 reçoit des signaux de détec- tion délivrés par les premier, second et troisième détec- teurs d'angles de rotation A1 à A3. En outre,l'unité de com- mande 3 reçoit des signaux de détection délivrés par un pre- mier détecteur de vitesse de rotation S1 servant à détecter la vitesse de rotation de l'arbre 14a de la turbine, par un second détecteur de vitesse de rotation S2 servant à détec- ter la vitesse de rotation du vilebrequin 4 du moteur, par un premier détecteur de pression PI servant à détecter la pression au niveau de la sortie 19a de la soufflante,par un pre- mier détecteur de température T1 servant à détecter la tem- pérature au niveau de la sortie 19a de la soufflante, par un second détecteur de pression P2 servant à détecter la pression interne au niveau du pourtour extérieur de la volu- te 19 logeant la soufflante, par un détecteur de différence de pression PD servant à détecter la différence de pression dans la volute 19 logeant la soufflante, entre le pourtour extérieur et le pourtour intérieur de cette volute, par un second détecteur de température T2 servant à détecter la tem- pérature des gaz d'échappement au niveau de l'admission 11 dans la chambre logeant la turbine, par un troisième détec- teur de pression P3 servant à détecter la pression dans le refroidisseur d'air 8a du moteur 1, et par un détecteur de débit F servant à détecter le débit du carburant envoyé au moteur 1. L'unité de commande 3 est programmée d'avance pour un fonctionnement optimum du moteur diesel 1 dans l'ensem- ble de la gamme des vitesses de ce dernier. Le turbocompresseur comportant l'agencement indi- qué ci-dessus fonctionne de la manière suivante. Lorsque le moteur 1 fonctionne, les gaz d'échappement pénètrent dans la chambre 9 logeant la turbine en empruntant la canalisa- tion 13 de transfert des gaz d'échappement et l'admission 11 de manière à faire tourner le rotor 14 de la turbine, les gaz étant ensuite refouléspar la sortie 12. Par conséquent, le rotor 21 de la soufflante, qui est fixé à l'arbre 14a de la turbine tourne de telle sorte que de l'air extérieur est aspiré à l'intérieur de la chambre 10 logeant la soufflante par l'intermédiaire de l'admission 18 de cette dernière et de l'air comprimé est délivré au moteur 1 par l'intermédiai- re de la volute 19, de la sortie 19a de la soufflante et de la canalisation 20 d'amenée d'air pour la combustion. Pen- dant ce processus, les signaux délivrés par les détecteurs individuels A1, A2, A3, s S2, Pi' P2' P38 PD, T1, T2 et F sont envoyés à l'unité de commande 3 qui, à son tour, déli- vre des signaux de commande C1, C2, C3 en vue d'actionner respectivement les premier, second et troisième dispositifs d'entraînement 16, 23, 26 afin de faire pivoter les aubes directrices de refoulement 15, les aubes directrices 22 pour l'air et les aubes formant diffuseur 25 comme cela est requis par le programme préréglé de l'unité de commande 3, de sorte que le débit et la pression de l'alimentation en air envoyée au moteur 1 sont commandés de façon optimale, le turbocompresseur 2 étant simultanément empêché de tour- ner avec une vitesse excessive et de présenter un effet de sciage, et étant commandé simultanément de manière à fonc- tionner avec un rendement maximum. La figure 5 illustre un mode de fonctionnement, donné à titre d'exemple, d'un moteur diesel marin. Après le démarrage, le moteur fonctionne à la vitesse de déplacement dans le port, alors que le navire se trouve dans ce dernier. Lorsque le navire pénètre dans une étendue de mer, le mo- teur fonctionne à pleine vitesse ou à la vitesse de croisiè- re. Lorsque le navire emprunte un canal, la vitesse du mo- teur est réduite à la vitesse de ralenti. Une fois que le navire a pénétré dans le port de destination, le moteur tour- ne à nouveau conformément à la vitesse de déplacement à l'in- térieur d'un port, et le moteur est arrêté lorsque le navi- re est à quai. La figure 6 représente l'organigramme illustrant un mode de commande typique réalisé par l'unité de commande 3. Lorsque le moteur 1 est mis en marche, l'unité de com- mande 3 est commutée soit automatiquement, soit manuellement dans un état d'attente (bloc a). Dans cet état d'attente (c'est-à-dire pendant que le moteur 1 tourne à la vitesse de déplacement dans un port), les aubes directrices de re- foulement 15, les aubes directrices 22 pour l'air et les au- bes formant diffuseur 25 du turbocompresseur 2 sont blo- quées dans des positions angulaires spécifiques prédétermi- nées en rapport avec la vitesse de sortie continue maximale (désignée ciaprès sous le terme de vitesse "MCO") du mo- teur 1 (bloc b). Dans le cas d'une commande entièrement au- tomatique, le second détecteur de vitesse S2 détecte la vi- tesse du moteur 1 (bloc c) et la valeur détectée est compa- rée à une valeur de référence pouvant être modifiée manuel- lement (par exemple 50 % de la valeur MCO) afin d'établir si la valeur détectée n'est pas inférieure à la valeur de référence (bloc d). Si "OUI",on estime que la vitesse du mo- teur a pénétré dans une gamme de commande et l'unité de com- mande 3 commence à effectuer sa commande (bloc e). Si "NON", l'unité de commande 3 est maintenue dans l'état d'attente jusqu'à ce que la vitesse du moteur atteigne la valeur de référence. Sinon,on peut faire démarrer manuellement l'uni- té de commande 3 (bloc f) avant que la vitesse du moteur at- teigne la valeur de référence. Lors du démarrage de la commande réalisée par l'u- nité de commande 3, le débit d'alimentation en carburant en- voyé au moteur 1 est tout d'abord détecté au moyen du détec- teur de débit F (bloc 2), et, sur la base du débit d'alimen- tation en carburant détecté, les positions angulaires des aubes 15, 22 et 25 sont réglées au moyen des dispositifs d'entraînement 16, 23 et 26 (bloc h). Ensuite, les diffé- rents paramètres de fonctionnement sont mesurés de façon complète au moyen des détecteurs A1, A2, A3, S1, S2' P Pi P2' P3, PD, T1, T2, et F (bloc i), et le débit de l'air envoyé à l'admission 18 de la soufflante est calculé dans l'unité de commande 3 sur la base des différentes valeurs détectées grâce à l'utilisation d'un procédé connu de calcul du débit (bloc j). La valeur calculée est examinée pour savoir si elle se situe ou non à l'intérieur des limites admissibles d'une courbe de la soufflante, obtenue au moyen d'essais in- dépendants réalisés antérieurement avec le turbocompresseur 2 (bloc k). Si la valeur calculée se situe dans les limites admissibles, on estime qu'il n'existe aucun excès de vites- se, ni aucun effet de sciage du turbocompresseur 2, et une avance jusqu'au pas suivant de commande est autorisée. In- versement, si le débit d'air de la soufflante ne se situe pas à l'intérieur des limites admissibles, les positions an- gulaires des aubes 15, 22, 25 sont réajustées au moyen des dispositifs d'entraînement 16, 23, 26 (bloc 1), et les pas i à 1 sont répétés jusqu'à ce que le débit d'air de la souf- flante se situe à l intérieur des limites admissibles de la courbe de la soufflante. Lors du pas immédiatement suivant, le débit d'alimentation en air envoyé au moteur 1 est à nou- veau détecté au moyen du détecteur de débit de carburant F (bloc m), pour savoir s'il est inférieur à la valeur d'ali- mentation en carburant détectée lors du pas _ (bloc m). Si "OUI", la valeur détectée lors du pas m est mémorisée tempo- rairement en tant que débit minimum de carburant. Si "NON", les aubes 15, 22, 25 sont à nouveau réglées en fonction du débit d'alimentation en carburant (bloc o), et les pas i à o sont répétés jusqu'à ce que le résultat de la comparaison fournisse "OUI". Ensuite,la vitesse du moteur est à nouveau détectée par le second détecteur de vitesse S 2 (bloc p) pour établir une comparaison avec la valeur de référence mention- née plus haut (bloc _$. Si la vitesse du moteur n'est pas inférieure à la valeur de référence, on estime que le mo- teurlmaintient encore une vitesse de marche normale. Afin d'obtenir un débit plus économique de carburant, on répète les pas i à q, ce qui a pour effet que la mémoire du débit minimum de carburant est régénérée successivement. Lorsque la vitesse du moteur tombe au-dessous de la valeur de réfé- rence, les aubes 15, 22, 25 sont bloquées dans leurs posi- tions angulaires respectives préréglées comme dans le cas du démarrage du moteur. On notera, à ce sujet, que même après que la vitesse du moteur ait été réduite comme indi- qué précédemment, la procédure de commande peut être rame- née de façon imposée, manuellement, au pas _ (bloc s). D'une manière générale,on mettra en oeuvre une com- mande entièrement automatique alors que le navire se trouve dans un port ou dans un canal. REVENDICATIONS 1. Turbocompresseur pour un moteur diesel (1), ca- ractérisé en ce qu'il comporte une chambre (9) logeant une turbine des gaz d'échappement et communiquant avec le tuyau d'échappement (7) d'un moteur diésel (1) et munie d'une roue de turbine motrice (14); une chambre (10) logeant une souf- flante et comportant une volute (19) communiquant avec la tubulure de balayage (8) du moteur diesel (1) et munie d'un rotor de soufflante (21) pouvant tourner d'un seul tenant avec la roue de turbine motrice (14) en étant monté coaxia- lement à cette dernière; des aubes directrices de refoule- ment (15) disposées dans la chambre (9) de logement de la turbine en amont de la roue (14) de la turbine; des aubes directrices variables (22) pour l'air d'admission, dispo- sées dans la chambre (10) logeant la soufflante, en amont du rotor de soufflante (21); des aubes variables (25) for- mant diffuseur de sortie et disposées dans la chambre (10) logeant la soufflante,entre le rotor de soufflante (21) et la volute (19); et des premier, second et troisième moyens d'entraînement (16, 23, 26) servant à commander respective- ment les aubes directrices de refoulement (15), les aubes directrices (22) pour l'air et les aubes formant diffu- seur (25), conformément aux paramètres de fonctionnement du turbocompresseur (2) et du moteur diesel (1). 2. Turbocompresseur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les aubes directrices de refoulement (15) sont disposées selon une disposition en anneau et en ce que chacune d'elles peut tourner autour d'un axe transversal par rapport à l'axe de rotation de la roue motrice (14) de la turbine. 3. Turbocompresseur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les aubes directrices(22)sontdis- posées selon une disposition en anneau eten ce que chacune d'el- les peut tourner autour d'un axe transversal par rapport à l'axe de rotation du rotor (21) de la soufflante. 4. Turbocompresseur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que les aubes formant diffuseur (25) sont disposées selon une disposition en anneau et en ce que chacune d'ellespeut tourner autour d'un axe parallèle à l'axe de rotation du rotor (21) de la soufflante. 5. Procédé de commande du turbocompresseur (2) se- lon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à envoyer à une unité de commande (3) programmée d'avance, des paramètres de fonctionnement in- cluant les positions respectives des aubes directrices de refoulement (15) , des aubes directrices (22) pour l'air et des aubes formant diffuseur (25), la vitesse du turbocom- presseur (2), la pression et la température de sortie de la chambre (10) logeant la soufflante, la pression interne dans la volute (19) sur le pourtour extérieur de cette dernière, la différence de pression dans la volute (19) entre le pour- tour extérieur et le pourtour intérieur de cette dernière, la température d'admission dans la chambre (9) logeant la turbine des gaz d'échappement, la pression interne dans un refroidisseur d'air raccordé à la tubulure de balayage (8) du moteur diésel (1), la vitesse du moteur diésel (1) et le débit de carburant envoyé à ce moteur; et à commander les aubes directrices de refoulement (15), les aubes directri- ces (22) pour l'air et les aubes formant diffuseur (25), conformément aux instructions délivrées par l'unité de com- mande (3).