Brevet FR2806446A1 — publié le 20010921

TURBOCOMPRESSEUR Cette invention se rapporte à un turbocompresseur. Un turbocompresseur à volume variable classique est proposé dans le document JP 10-008977 A. Ce turbocompresseur est destiné à améliorer sa performance. Un rotor de turbine du turbocompresseur est mis en rotation efficacement en recevant une faible quantité d'un écoulement de gaz d'échappement afin de produire une pression de suralimentation souhaitable à une faible vitesse de moteur, et la vitesse de rotor de turbine est régulée en fonction d'une vitesse de moteur afin de commander la pression de suralimentation à une valeur établie à des vitesses de moteur moyennes et élevées. Le turbocompresseur comprend un arbre, un carter de compresseur, et un carter de turbine. L'arbre est disposé mobile en rotation entre le carter de turbine et le carter de compresseur, et s'étend jusqu'au carter de turbine à une extrémité et jusqu'au carter de compresseur à une autre extrémité. Le rotor de turbine est raccordé à l'extrémité de l'arbre de façon à effectuer une rotation unitaire avec celui-ci, et est disposé dans un passage de gaz d'échappement à l'intérieur du carter de turbine. Un rotor de compresseur est raccordé à l'autre extrémité de l'arbre de turbine de façon à effectuer une rotation unitaire avec celui-ci, et est disposé dans un passage d'admission d'air à l'intérieur du carter de compresseur. Le turbocompresseur comprend en outre une paroi de séparation et une vanne de régulation. La paroi de séparation est disposée dans le passage de gaz d'échappement de façon à diviser le passage de gaz d'échappement au niveau d'un côté en amont du rotor de turbine en une volute intérieure et une volute extérieure. La paroi de séparation comporte une pluralité de passages de communication destinés à permettre l'écoulement d'une partie des gaz d'échappement dans la volute extérieure à l'intérieur de la volute intérieure et la commande d'une vitesse de l'écoulement de gaz d'échappement dans la volute intérieure en fonction de la vitesse du moteur. La vanne de régulation est positionnée au niveau d'un côté d'admission d'échappement des deux volute extérieure et la volute intérieure. Chacune de la volute extérieure et de la volute intérieure est formée de sorte que sa section diminue graduellement. Le turbocompresseur à volume variable structuré ci- dessus régule les quantités de gaz d'échappement à la fois dans la volute intérieure et dans la volute extérieure en fonction de la vitesse du moteur, fournissant ainsi au rotor de turbine des gaz d'échappement présentant une vitesse d'écoulement appropriée. En conséquence, le turbocompresseur à volume variable délivre la pression de suralimentation appropriée en fonction de la vitesse du moteur par l'intermédiaire du rotor de compresseur. En conséquence, dans le turbocompresseur à volume variable de ce type, il est important de commander la vitesse de l'écoulement des gaz d'échappement dans la volute intérieure à un niveau prédéterminé par l'intermédiaire d'un écoulement approprié des gaz d'échappement dans la volute extérieure à l'intérieur de la volute intérieure à travers chaque passage de communication de la paroi de séparation. C'est un but de la présente invention de proposer un turbocompresseur à volume variable amélioré. C'est un autre but de la présente invention de proposer un turbocompresseur à volume variable amélioré qui évite les inconvénients classiques ci-dessus. C'est un autre but de la présente invention de proposer un turbocompresseur à volume variable amélioré qui peut permettre l'écoulement d'une partie des gaz d'échappement dans une volute extérieure à l'intérieur d'une volute intérieure d'un carter de turbine à travers chacun des passages de communication d'une paroi de séparation, permettant ainsi l'écoulement d'une quantité appropriée de gaz d'échappement à l'intérieur de la volute intérieure du carter de turbine, la vitesse de l'écoulement de gaz d'échappement dans la volute intérieure étant régulée ainsi à une valeur établie. Selon l'invention, un turbocompresseur comprend un carter de turbine, un carter de compresseur couplé au carter de turbine, un arbre disposé mobile en rotation dans le carter, une roue de turbine fixée à une extrémité de l'arbre de façon à être disposée dans un passage d'échappement situé dans le carter de turbine, une roue de compresseur fixée à une extrémité de l'arbre de façon à être disposée dans un passage d'admission situé dans le carter de compresseur, une paroi de séparation destinée à diviser le passage d'échappement au niveau d'un côté en amont de la roue de turbine en une volute intérieure et une volute extérieure, la paroi de séparation comportant une pluralité de passages de communication permettant l'écoulement des gaz d'échappement dans la volute extérieure à l'intérieur de la volute intérieure; et une vanne de régulation disposée au niveau d'une ouverture d'admission de la volute extérieure de façon à réguler les quantités de gaz d'échappement s'écoulant à l'intérieur des deux volute extérieure et volute intérieure, la section de la volute extérieure diminuant graduellement de son commencement à sa position spécifiée et diminuant graduellement selon la direction axiale de l'arbre partiellement de la position spécifiée à son extrémité, et la largeur axiale de la volute extérieure étant partiellement identique à la largeur des passages de communication de la position spécifiée à l'extrémité de la volute extérieure. En outre, selon l'invention, la position spécifiée est définie à une position o la largeur des passages de communication coïncide approximativement avec la largeur axiale d'une sortie de la volute intérieure ouverte sur le rotor de turbine, les deux étant selon la direction axiale de l'arbre. De plus, selon l'invention, la section de la volute extérieure est formée de façon à être plus grande que celle de la volute intérieure à chaque position de commencement des volutes. En outre, selon l'invention, la volute extérieure comprend une première partie de volute et une deuxième partie de volute faisant face à la paroi de séparation, o la section de la première partie de volute diminue graduellement selon la direction axiale de l'arbre de la position spécifiée à l'extrémité, et la largeur axiale de la deuxième partie de volute est identique à la largeur des passages de communication de la position spécifiée à l'extrémité de la volute extérieure. Ainsi, le turbocompresseur à volume variable de cette invention possède les avantages suivants: la forme ci-dessus de la section de la volute extérieure empêche les passages de communication de perturber l'écoulement de gaz d'échappement de la volute extérieure à l'intérieur de la volute intérieure particulièrement de la position spécifiée à l'extrémité, tout en conservant une largeur suffisante constante selon la direction axiale des passages de communication, permettant ainsi l'écoulement des gaz d'échappement situés dans la volute extérieure à l'intérieur de la volute intérieure, permettant l'écoulement d'une quantité appropriée de gaz d'échappement à l'intérieur de la volute intérieure et régulant la vitesse de l'écoulement de gaz d'échappement dans la volute intérieure, ceci ayant pour résultat le fait que le rotor de compresseur produit une pression de suralimentation prédéterminée en fonction de la vitesse du moteur. Le turbocompresseur comprend la position spécifiée ci-dessus et la volute extérieure formée de sorte que sa section est plus grande que celle de la volute intérieure à la position de commencement de la partie de volute, élargissant ainsi la plage volumique de la turbine. Ces objectifs ainsi que d'autres de l'invention deviendront plus apparents à partir des modes de réalisation qui vont suivre de l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un turbocompresseur à volume variable d'un premier mode de réalisation de cette invention; La figure 2 représente une vue en coupe transversale du turbocompresseur à volume variable selon la ligne 2-2 de la figure 1; La figure 3 représente une vue en coupe transversale du turbocompresseur à volume variable au point de commencement (A) des volutes, une vue en coupe transversale du turbocompresseur à volume variable au niveau du milieu (B) des volutes, une vue en coupe transversale du turbocompresseur à volume variable au niveau du point spécifié (C) des volutes, et une vue en coupe transversale du turbocompresseur à volume variable au niveau de l'extrémité terminale (D) des volutes. On va décrire le mode de réalisation de cette invention comme suit, en référence aux dessins. La figure 1 et la figure 2 représentent un mode de réalisation du turbocompresseur à volume variable de cette invention. Le turbocompresseur à volume variable comprend une partie de turbine 20, une partie de compresseur 30 et une partie de connexion 10 reliant la partie de turbine 20 à la partie de compresseur 30. La partie de connexion 10 comprend un corps de roulement 11 et un arbre 13 qui est supporté mobile en rotation par un roulement 12 situé à l'intérieur du corps de roulement 11. Chaque extrémité de l'arbre 13 s'étend depuis le corps de roulement 11. Une extrémité de l'arbre 13 s'étend à l'intérieur du carter de turbine 21 et l'autre extrémité de l'arbre 13 s'étend à l'intérieur du carter de compresseur 31 qui forme la partie de compresseur 30. Un rotor de turbine est raccordé de manière rigide à l'extrémité de l'arbre 13 de façon à effectuer une rotation unitaire avec celui-ci. Un rotor de compresseur 32 est raccordé de manière rigide à l'autre extrémité de l'arbre 13 de façon à effectuer une rotation unitaire avec celui-ci. La partie de turbine 20 comprend le carter de turbine 21 et le rotor de turbine 22 qui est disposé dans le carter de turbine 21. Le carter de turbine 21 est fixé à un côté (côté droit à la figure 1) du corps de roulement 11 qui forme la partie de connexion 10. Le rotor de turbine est raccordé de manière rigide à l'extrémité de l'arbre 13 qui s'étend à travers le côté du corps de roulement 11 de façon à effectuer une rotation unitaire et est positionné dans le passage de gaz d'échappement qui est formé dans le carter de turbine 21. Le carter de turbine 21 comprend une entrée d'échappement 21a, une sortie d'échappement 21b et le passage de gaz d'échappement qui est formé entre l'entrée d'échappement 21a et la sortie d'échappement 21b de façon à créer une communication fluidique entre elles. Une paroi de séparation 23 est formée dans le passage de gaz d'échappement au niveau du côté en amont (le côté en amont de l'écoulement de gaz d'échappement) du rotor de turbine 22. La paroi de séparation 23 est formée sur la surface périphérique intérieure du carter de turbine 21 au niveau du côté en amont de la roue de turbine 22 et divise le passage de gaz d'échappement du côté en amont de la roue de turbine 22 en une volute intérieure 24 et une volute extérieure 25. Plusieurs passages de communication 23a sont formés dans la paroi de séparation 23 vers le côté en aval (le côté en aval de l'écoulement de gaz d'échappement) des volutes. La volute extérieure 25 comprend une première partie de volute 25al et une deuxième partie de volute 25a2 faisant face à la paroi de séparation. Le côté en amont (le côté en amont de l'écoulement de gaz d'échappement) d'une périphérie de chaque passage de communication 23a est incliné graduellement (le côté en amont d'une périphérie de chaque passage de communication 23a est approximativement parallèle à la direction tangentielle de la roue de turbine 22 en vue en coupe transversale telle que celle de la figure 2), et le côté en aval de la périphérie que chaque passage de communication 23a est incliné de façon raide ou abrupte à un angle prédéterminé (le côté en aval de la périphérie de chaque passage de communication 23a est orienté approximativement en direction d'un axe de rotation de la roue de turbine 22 en vue en coupe transversale telle que celle de la figure 2). Chaque passage de communication 23a formé ci- dessus est orienté vers un centre axial de la roue de turbine 22. (La forme du passage de communication apparaît en détail dans le brevet des Etats Unis n 6 073 447). La partie de turbine 20 comprend en outre une vanne de régulation 26 dans le passage de gaz d'échappement au niveau de l'entrée d'échappement 21a (figure 2). La vanne de régulation 26 commande le degré d'ouverture d'une ouverture d'admission 25a (une partie d'ouverture du régulateur 26) qui constitue une ouverture de la volute extérieure 25. Une extrémité distale s'étend vers le côté en aval de l'ouverture d'admission 25a et est en appui sur un siège de soupape situé sur une extrémité de la paroi de séparation 23 qui est située au niveau de l'ouverture d'admission 25a du côté en aval. La vanne de régulation ferme l'ouverture d'admission 25a dans la condition résultante, et est commandée de façon à s'ouvrir ou se fermer par l'intermédiaire d'un dispositif d'actionnement de vanne (non représenté) en fonction de la vitesse du moteur. La partie de compresseur 30 comprend le carter de compresseur 31 et le rotor de compresseur 32 qui est disposé dans le carter de compresseur 31. Le carter de compresseur est fixé à l'autre côté (côté gauche à la figure 1) du corps de roulement 11 qui forme la partie de connexion 10. Le rotor de compresseur est raccordé de manière rigide à l'autre extrémité de l'arbre 13 qui s'étend à travers l'autre côté du corps de roulement 11 de façon à effectuer une rotation unitaire, et est positionné dans un passage d'admission d'air qui est formé dans le carter de compresseur 31. Le carter de compresseur 31 comprend une entrée d'air 31a, une sortie d'air 31b et le passage de compresseur qui est formé entre l'entrée d'air 31a et la sortie d'air 31b de façon à créer une communication fluidique entre elles. Le passage de compresseur du côté en aval du rotor de compresseur 32 est façonné à la manière d'une partie formant volute de forme annulaire 33. La partie formant volute 33 s'étend le long d'une périphérie extérieure du carter de compresseur 31 depuis la position adjacente à la sortie d'air 31b jusqu'à la sortie d'air 31b. La section de la volute 33 s'élargit graduellement vers la sortie d'air 31b. Dans le turbocompresseur à volume variable, les deux volute extérieure 25 et volute intérieure 24 sont formées de façon à s'effiler graduellement de l'amont des volutes à l'aval, tel qu'on le voit aux figures 1 à 3. La section de la volute extérieure 25 est réalisée de façon à être plus grande que celle de la volute intérieure 24 sur toute une partie s'étendant de l'amont des volutes à l'aval. Chaque dessin (a), (b), (c) et (d) de la figure 3 représente la forme en coupe transversale de chacune des parties des deux volute intérieure 24 et volute extérieure 25. Les dessins ci-dessus (a), (b), (c) et (d) de la figure 3 représentent respectivement un point de commencement (A) des volutes, un milieu (B) des volutes, un point spécifié (C) des volutes et une extrémité terminale (D) des volutes. Dans le turbocompresseur variable, la section de la volute extérieure 25 diminue graduellement du point de commencement (A) des volutes au point spécifié (C) des volutes et présente des sections transversales similaires ici à celles que l'on voit sur les dessins (a) à (c) de la figure 3. La section de la volute extérieure 25 diminue graduellement selon la direction axiale (la direction parallèle à un axe de rotor de turbine L) tout en conservant une largeur constante selon la direction axiale des passages de communication 23a qui sont disposés dans la paroi de séparation 23, du point spécifié (C) des volutes à l'extrémité terminale (D) des volutes. La largeur des passages de communication 23a selon la direction axiale diminue graduellement du point de commencement (A) des volutes au point spécifié (C) des volutes. En d'autres termes, la section de la première partie de volute 25al diminue graduellement selon la direction axiale de l'arbre 13 du point spécifié (C) des volutes à l'extrémité terminale (D) des volutes. Ici, la largeur axiale de la deuxième partie de volute 25a2 est identique à la largeur des passages de communication 23a du point spécifié (C) des volutes à l'extrémité terminale (D) des volutes, alors que la largeur axiale de la première partie de volute 25al diminue graduellement du point spécifié (C) des volutes à l'extrémité terminale (D) des volutes. Le point spécifié (C) des volutes est positionné à l'endroit o la largeur selon la direction axiale des passages de communication est approximativement égale à celle d'une sortie de volute 24a qui communique avec le rotor de turbine 22. La section de la volute intérieure 24 diminue graduellement tout en conservant la largeur constante selon la direction axiale d'une sortie de volute 24a qui communique avec le rotor de turbine 22, et présente les coupes transversales similaires ici à celles que l'on voit dans les dessins (a) à (c) de la figure 3, du point de commencement (A) des volutes au point spécifié (C) des volutes. La section de la volute intérieure 24 diminue graduellement selon la direction radiale (la direction radiale du rotor de turbine 22) du point spécifié (C) des volutes à l'extrémité terminale (D) des volutes. Le turbocompresseur variable fonctionne grâce à l'introduction des gaz d'échappement depuis le moteur à l'intérieur du passage de gaz d'échappement à travers l'entrée d'échappement 21a du carter de turbine 21 qui forme la partie de turbine 20, comprimant ainsi l'air à un niveau de pression de suralimentation prédéterminé dans la partie de compresseur, et délivrant l'air comprimé à une admission d'air d'un moteur. D'une part, dans ce turbocompresseur à volume variable, la vanne de régulation 26 ferme l'ouverture 25a lorsque la quantité de gaz d'échappement est petite à une faible vitesse du moteur. Par conséquent, les gaz d'échappement qui ont été introduits dans le passage de gaz d'échappement à travers l'entrée d'échappement 21a du carter de turbine 21 s'écoulent à l'intérieur de la volute intérieure 24, font tourner la roue de turbine 22, et se déchargent vers l'extérieur des volutes de turbine à travers la sortie d'échappement 21b. Pendant le trajet des gaz d'échappement, le rotor de turbine 22 fait tourner l'arbre 13, ce qui entraîne le rotor de compresseur 32 en rotation. Ainsi, l'air introduit dans le passage d'air à travers l'entrée d'air 31a du carter de compresseur 31 est comprimé à un niveau de pression de suralimentation prédéterminé, et est délivré à travers la sortie d'air 31b. En conséquence, l'air délivré du compresseur est introduit à l'intérieur du collecteur d'admission d'air du moteur sous la forme d'une induction d'air de densité élevée. D'autre part, dans ce turbocompresseur variable, l'actionnement de la vanne de régulation 26 fait ouvrir l'ouverture d'admission 25a en fonction de la vitesse du moteur, à des vitesses de moteur moyennes ou élevées o la quantité de gaz d'échappement est importante. Par conséquent, l'écoulement de gaz d'échappement qui est introduit dans le passage de gaz d'échappement à travers l'entrée de gaz d'échappement 21a du carter de turbine 21 s'écoule dans les deux volute intérieure 24 et volute extérieure 25, et seuls les gaz d'échappement qui sont entrés dans la volute intérieure 24 font tourner la roue de turbine 22 comme on le décrit ci-dessus, et se déchargent ensuite à l'extérieur des volutes de turbine à travers la sortie d'échappement 21b, comme le décrit ci-dessus. Pendant le trajet des gaz d'échappement, une partie des gaz d'échappement entrant dans la volute extérieure 25 s'écoule dans la volute intérieure 24 à travers les passages de communication 23a. Dans ce cas, les gaz d'échappement s'écoulant à l'intérieur de la volute intérieure 24 sont orientés en direction de l'axe de rotation du rotor de turbine 22 conformément à la direction d'agencement de chaque passage de communication 23a, ce qui a pour résultat le fait que les gaz d'échappement s'écoulant selon la direction tangentielle du rotor de turbine 22 changent de direction vers l'axe de rotation du rotor de turbine 22, abaissant ainsi la vitesse de l'écoulement de gaz d'échappement qui heurte la roue de turbine 22. Ainsi, la roue de turbine 22 est régulée de façon à ne pas dépasser une rotation souhaitable, puis la roue de compresseur 32 est régulée également de façon à ne pas tourner de manière excessive, ce qui a pour effet d'empêcher toute rotation inutile de la roue de compresseur 32, ce par quoi la pression de suralimentation peut être réglée à une valeur établie même aux vitesses de moteur moyennes et élevées o la quantité d'admission d'air d'échappement est importante. Dans le turbocompresseur à volume variable, chaque section de la volute intérieure 24 et de la volute extérieure 25 diminue graduellement du côté en amont des volutes au côté en aval, élargissant ainsi la plage volumique variable. La section de la volute extérieure 25 diminue graduellement du point de commencement (A) des volutes au point spécifié (C) des volutes, et présente ici des coupes transversales similaires à celles que l'on voit à la figure 3. En outre, la section de la volute extérieure 25 diminue graduellement selon la direction axiale tout en conservant sa largeur constante selon la direction axiale des passages de communication 23a de la paroi de séparation 23 du point spécifié (C) des volutes à l'extrémité terminale (D) des volutes. La forme ci-dessous de la section transversale de la volute extérieure 25 permet l'écoulement uniforme d'une partie des gaz d'échappement dans la volute extérieure 25 à l'intérieur de la volute intérieure 24 à travers les passages de communication 23a. Les passages de communication 23a présentent également une largeur suffisante selon la direction axiale du point spécifié (C) des volutes à l'extrémité terminale (D) des volutes, et aucun passage de communication 23a ne perturbe l'écoulement des gaz d'échappement dans la volute extérieure 25 à l'intérieur de la volute intérieure 24. Les passages de communication 23a introduisent une quantité modérée de gaz d'échappement à l'intérieur de la volute intérieure 24 afin de réguler la vitesse de l'écoulement de gaz d'échappement dans la volute intérieure 24 à une valeur établie, ce par quoi la pression de suralimentation fournie par le rotor de compresseur 32 est régulée à une valeur établie en fonction de la vitesse du moteur. Dans le turbocompresseur à volume variable, le point spécifié (C) des volutes est situé à la position o la largeur selon la direction axiale des passages de communication 23a est approximativement égale à celle de la sortie de volute 24a. La volute extérieure 25 est formée de façon à présenter une section plus grande que celle de la volute intérieure 24 au point de commencement (A) des5 volutes. Ainsi, la plage volumique variable de la turbine peut être élargie. REVENDICATIONS 1. Turbocompresseur comprenant: un carter de turbine (21); un carter de compresseur (31) couplé au carter de turbine; un arbre (13) disposé mobile en rotation dans le carter; une roue de turbine (22) fixée à une extrémité de l'arbre de façon à être disposée dans un passage d'échappement situé dans le carter de turbine; une roue de compresseur (32) fixée à une extrémité de l'arbre de façon à être disposée dans un passage d'admission situé dans le carter de compresseur; une paroi de séparation (23) destinée à diviser le passage d'échappement au niveau d'un côté en amont de la roue de turbine en une volute intérieure (24) et une volute extérieure (25), la paroi de séparation comportant une pluralité de passages de communication (23a) permettant l'écoulement des gaz d'échappement dans la volute extérieure à l'intérieur de la volute intérieure; et une vanne de régulation (26) disposée au niveau d'une ouverture d'admission (25a) de la volute extérieure de façon à commander les quantités de gaz d'échappement s'écoulant à l'intérieur des deux volute extérieure et volute intérieure, dans lequel la section de la volute extérieure diminue graduellement de son commencement (A) à sa position spécifiée (C) et diminue graduellement selon la direction axiale de l'arbre partiellement de la position spécifiée à son extrémité (D), et la largeur axiale de la volute extérieure est en partie identique à la largeur des passages de communication de la position spécifiée à l'extrémité de la volute extérieure. 2. Turbocompresseur selon la revendication 1, dans lequel la position spécifiée est définie à une position o la largeur des passages de communication coïncide approximativement avec la largeur axiale d'une sortie (24a) de la volute intérieure ouverte sur le rotor de turbine, les deux étant selon la direction axiale de l'arbre. 3. Turbocompresseur variable selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la section de la volute extérieure est formée de façon à être plus grande que celle de la volute intérieure à chaque position de commencement des volutes. 4. Turbocompresseur variable selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel la volute extérieure comprend une première partie de volute (25al) et une deuxième partie de volute (25a2) faisant face à la paroi de séparation, la section de la première partie de volute diminuant graduellement selon la direction axiale de l'arbre de la position spécifiée à l'extrémité, et la largeur axiale de la deuxième partie de volute étant identique à la largeur des passages de communication de la position spécifiée à l'extrémité de la volute extérieure. 5. Turbocompresseur variable selon les revendications 1, 2 ou 3, dans lequel la largeur axiale de la volute extérieure diminue en partie graduellement de la position spécifiée à l'extrémité de la volute extérieure. 6. Turbocompresseur variable selon la revendication 4, dans lequel la largeur axiale de la première partie de volute diminue graduellement de la position spécifiée à l'extrémité de la volute extérieure.