Brevet FR2806447A1 — publié le 20010921

TURBOCOMPRESSEUR Cette invention se rapporte à un turbocompresseur. Un turbocompresseur classique est proposé dans la publication de brevet japonais en attente d'examen H 10- 008977. Ce turbocompresseur est destiné à améliorer son rendement. En s'intéressant au turbocompresseur, une roue de turbine est efficacement mise en rotation en recevant une faible quantité de l'écoulement des gaz d'échappement pour produire une surpression désirée à une faible vitesse du moteur et la rotation de la roue de la turbine est régulée pour correspondre à la vitesse du moteur pour commander la surpression à un niveau prédéterminé à des vitesses intermédiaires et élevées du moteur. Le turbocompresseur comprend, fondamentalement, un arbre, un logement de compresseur et un logement de turbine. L'arbre de la turbine est disposé avec faculté de rotation entre le logement de la turbine et le logement du compresseur et s'étend vers le logement de la turbine à une extrémité et vers le logement du compresseur à l'autre extrémité. La roue de la turbine est connectée à la première extrémité de l'arbre pour rotation unitaire avec celui-ci et est disposé dans un passage des gaz d'échappement à l'intérieur du logement de la turbine. Le rotor du compresseur est connecté à l'autre extrémité de l'arbre de turbine pour rotation unitaire avec celui-ci à l'intérieur du compresseur. En conséquence, c'est un but de la présente invention d'améliorer l'efficacité de l'écoulement des gaz de la spirale externe à la spirale interne. Afin d'atteindre les buts précédemment énoncés, le turbocompresseur comprend un logement de turbine; un logement de compresseur couplé au logement de turbine; un arbre disposé avec faculté de rotation dans le logement; une roue de turbine fixée à une première extrémité de l'arbre de façon à être disposée dans le passage d'échappement dans le logement de turbine; une roue de compresseur fixée à une seconde extrémité de l'arbre de façon à être disposée dans un passage d'admission dans le logement de compresseur; une paroi de séparation pour diviser le passage d'échappement au niveau côté écoulement supérieur de la roue de la turbine en une spirale interne et une spirale externe, la paroi de séparation ayant une pluralité de passages de communication permettant aux gaz d'échappement dans la spirale externe de s'écouler dans la spirale interne, la spirale externe incluant une première partie de spirale et une seconde partie de spirale qui est en regard de la paroi de la séparation, la largeur de la première partie de spirale dans une direction axiale de 1' arbre est plus grande que celle de la seconde partie de spirale d'une manière telle qu'une section transversale de la spirale externe comporte une partie en palier; et une soupape de régulation disposée au niveau d'une ouverture d'entrée de la spirale externe pour commander les quantités des gaz d'échappement s'écoulant à la fois dans la spirale externe et dans la spirale interne. En outre, la largeur de la spirale interne est la même que celle de la seconde partie de spirale. En outre, la surface en section transversale de la spirale interne est plus petite que celle de la spirale externe. Ainsi, le turbocompresseur de cette invention présente les avantages suivants: La spirale externe est élargie, en section transversale, dans la direction axiale de l'arbre, empêchant de ce fait le turbocompresseur d'être surdimensionné dans la direction radiale du logement de turbine. La seconde partie de passage guide l'écoulement des gaz d'échappement dans la spirale interne à travers les passages de communication avec pour effet que les gaz d'échappement dans la première partie de passage sont introduis régulièrement dans la spirale interne, empêchant de ce fait l'abaissement du rendement du turbocompresseur. Ceux-ci et autres buts de l'invention deviendront plus apparents à partir des modes de réalisation suivants de l'invention en se référant aux dessins annexes, parmi lesquels: La figure 1 représente une vue en coupe d'un turbocompresseur d'un premier mode de réalisation de cette invention; La figure 2 représente une vue en coupe du turbocompresseur le long de la ligne 2-2 de la figure 1; La figure 3 représente une vue agrandie d'une partie du turbocompresseur de la figure 1; La figure 4 représente une vue agrandie similaire à la figure 3 mais montrant le turbocompresseur ayant des zones de spirale de la spirale externe agrandie dans simplement la direction axiale centrale; La figure 5 représente une vue en coupe du turbocompresseur d'un second mode de réalisation de cette invention similaire à la figure 2 mais représentant le turbocompresseur du second mode de réalisation ayant un type différent de partie de turbine; et La figure 6 représente une vue en coupe similaire à la figure 2 mais représentant le turbocompresseur du second mode de réalisation ayant un type différent de soupape de régulation. Le mode de réalisation de cette invention sera décrit comme suit en se référant aux dessins. Les figures 1 et 2 représentent un premier mode de réalisation du turbocompresseur de cette invention. Le turbocompresseur comprend une partie de turbine 20A, une partie de compresseur et une partie de connexion 10 qui connecte la partie de turbine 20A à la partie de compresseur 30. La partie de connexion 10 comprend un logement de palier 11, un palier 12 et un arbre 13 supporté avec faculté de rotation par le palier 12 à l'intérieur du logement de palier 11. Les deux extrémités de l'arbre 13 se prolongent à partir du logement de palier 11. Une première extrémité de l'arbre 13 s'étend à l'intérieur du logement de turbine 21 formant la partie de turbine 20A et l'autre extrémité de l'arbre 13 s'étend à l'intérieur du logement de compresseur 31 formant la partie de compresseur 30. La première extrémité de l'arbre 13 est connectée rigidement à une roue de turbine 22 pour rotation unitaire avec celle-ci et l'autre extrémité de l'arbre 13 est connectée rigidement à une roue de compresseur 32 pour rotation unitaire avec celle-ci. La partie de turbine 20A comprend le logement de turbine 21 et la roue de turbine 22 disposée dans le logement de turbine 21. Le logement de turbine 21 est connecté à un premier côté (côté droit lorsque l'on regarde la figure 1) du logement de palier 11 qui forme la partie de connexion 10. La roue de turbine 22 est connectée rigidement à une première extrémité de l'arbre 13 s'étendant à travers le premier côté du logement de palier 11 et est mise en rotation avec l'arbre 13 comme un tout. La roue de turbine 22 est disposée dans un passage des gaz d'échappement formé dans le logement de turbine 21. Le logement de turbine 21 comprend une entrée des gaz d'échappement 21a et une sortie des gaz d'échappement 21b. Le passage des gaz d'échappement est formé entre l'entrée des gaz d'échappement 21a et la sortie des gaz d'échappement 21b pour communication fluidique entre celles-ci. Une paroi de séparation 23 est formée dans le passage des gaz d'échappement au côté écoulement supérieur (le côté écoulement supérieur de l'écoulement des gaz d'échappement) de la roue de turbine 22. La surface périphérique interne du logement de turbine 21 au niveau côté écoulement supérieur de la roue de turbine 22 est formée sur la paroi de séparation 23. La paroi de séparation 23 divise le passage des gaz d'échappement du côté écoulement supérieur de la roue de turbine 22 en une spirale interne 24A et une spirale externe A. De multiples passages de communication 23A sont formés dans la paroi de séparation 23 vers le côté écoulement inférieur (le côté inférieur de l'écoulement des gaz d'échappement) des spirales. Le côté écoulement supérieur d'une périphérie de chaque passage de communication 23 est progressivement inclinée (le côté écoulement supérieur d'une périphérie de chaque passage de communication 23 est approximativement parallèle à la direction tangentielle de la roue de turbine 22 dans la vue en coupe de la figure 2), et le côté écoulement inférieur de la périphérie de chaque passage de communication 23 est incliné fortement en ayant un angle prédéterminé (le côté écoulement inférieur de la périphérie de chaque passage de communication 23 est approximativement vers un axe de rotation de la roue de turbine 22 dans la vue en coupe, comme représenté la figure 2). Chaque passage de communication 23 formé comme énoncé précédemment est dirigé vers un axe central de la roue de turbine 22. (La forme du passage de communication apparaît en détail dans le brevet des États-Unis N 6 073 447.) Dans la partie de turbine 20A, une soupape de régulation 26A est disposée dans le logement de turbine 21 au niveau du côté de l'entrée des gaz d'échappement 21A (fig. 2). La soupape de régulation 26A qui est sous la forme d'un clapet, régule le degré d'ouverture d'une ouverture 26A qui constitue une ouverture de la spirale externe 25A. Une partie de base de la soupape de régulation 26A est montée en pivot sur le côté écoulement supérieur de l'ouverture 26a. Une extrémité distale s'étend vers le côté écoulement inférieur de l'ouverture 26a. L'extrémité distale de la soupape de régulation 26A est logée dans un siège de soupape sur l'ouverture 26a. La soupape de régulation 26A ferme l'ouverture 26a dans des conditions de régulation et est amenée à fermer et à ouvrir l'ouverture 26a par un dispositif de commande de soupape (non représenté) en fonction de la vitesse du moteur. La partie de compresseur 30 comprend le logement de compresseur 31 et la roue de compresseur 32 disposée dans le logement de compresseur 31. Le logement de compresseur 31 est connecté à l'autre côté (côté gauche comment on peut le voir sur la figure 1) du logement de palier 11 qui forme la partie de connexion 10. La roue de compresseur 32 est connectée rigidement à l'autre extrémité de l'arbre 13 s'étendant à travers l'autre côté du logement de palier 11 et est mise en rotation avec l'arbre 13 comme un tout. La roue de compresseur 32 est disposée dans un passage d'admission d'air formé dans le logement de compresseur 31. Le logement de compresseur 31 comprend une entrée d'air 31a et une sortie d'air 31b. Le passage d'admission d'air est formé entre l'entrée 31a et la sortie 31b, pour communication fluidique entre celles-ci. Le côté écoulement inférieur du passage d'admission d'air positionné au-dessous de la roue de compresseur 32 est formé en une spirale en forme d'anneau 33. La spirale 33 du compresseur s'étend le long d'une périphérie externe du logement de compresseur 31 à partir de la position adjacente à la sortie d'air 31b vers la sortie d'air 31b. La spirale 33 est progressivement élargie périphériquement vers la sortie d'air 3lb. Dans ce turbocompresseur, la spirale interne 24A et la spirale externe 25A sont formées pour être progressivement coniques depuis le côté écoulement supérieur du passage des gaz d'échappement vers le côté écoulement inférieur, comme on peut le voir sur les figures 1 à 3. La spirale externe 25A est en outre rendue plus large que la spirale interne 24A dans la zone de spirale (en section transversale) depuis le côté écoulement supérieur des spirales vers le côté écoulement inférieur. La spirale externe 25A est agrandie dans une direction axiale (la direction parallèle à un axe de la roue de turbine L à la figure 3) dans une zone de la spirale. La spirale externe 25A agrandie dans la zone de la spirale inclut un passage principal des gaz d'échappement (première partie de passage) 25al et un passage auxiliaire des gaz d'échappement (seconde partie de passage) 25a2. La largeur du passage 25a2 est la même que la largeur de la spirale interne 24A. Le passage principal des gaz d'échappement 25al présente une section transversale qui est longue dans la direction de l'axe. Le passage auxiliaire des gaz d'échappement 25a2 présente une section transversale qui est courte dans la direction de l'axe et est formé pour être étagé avec le passage principal des gaz d'échappement 25al. Le passage auxiliaire des gaz d'échappement 25a2 est disposé côté paroi de séparation 23 de la spirale externe 25A, formé pour être raccourci dans la direction axiale en section transversale et formé de manière identique à une rainure dans la spirale externe 25A. Sur la figure 3, plusieurs lignes S représentent un palier entre le passage principal des gaz d'échappement 25al et le passage auxiliaire des gaz d'échappement 25a2. La figure 4 représente un autre exemple d'un turbocompresseur qui ne comporte pas de passage auxiliaire des gaz d'échappement dans la spirale externe comparé au premier mode de réalisation du turbocompresseur de la figure 3. Dans ce turbocompresseur, si la quantité des gaz d'échappement est faible à une basse vitesse du moteur, l'ouverture 26a qui constitue une ouverture d'entrée de la spirale externe 25A est fermée par la soupape de régulation 26A. En conséquence, les gaz d'échappement qui sont introduits dans le passage des gaz d'échappement à travers l'entrée des gaz d'échappement 21a du logement de turbine 21 s'écoulent dans la spirale interne 24A, font tourner la roue de turbine 22 et sont déchargées à l'extérieur des spirales de la turbine à travers l'orifice de sortie d'échappement 21b. Pendant le déplacement des gaz d'échappement, l'arbre 13 est mis en rotation par la roue de turbine 22, qui amène la roue de compresseur 32 à tourner. Ainsi, l'air est introduit dans le passage d'admission d'air à travers l'entrée d'air 31a du logement de compresseur 31, est comprimé à un niveau de surpression qui est délivrée à travers la sortie d'air 31b. En conséquence, l'air délivré depuis le compresseur est introduit dans un passage d'admission d'air du moteur à combustion interne comme induction d'air à densité élevée. D'autre part, dans ce turbocompresseur, si la quantité des gaz d'échappement est importante à des vitesses intermédiaires ou élevées du moteur, la quantité d'ouverture de l'ouverture 26a est fonction de la vitesse du moteur par l'actionnement de la soupape de régulation 26B. De ce fait, le flux des gaz d'échappement qui est introduit dans le passage des gaz d'échappement à travers l'entrée des gaz d'échappement 21a du logement de turbine 21 s'écoule dans à la fois la spirale interne 24A et la spirale externe 25A, seul les gaz d'échappement qui sont entrés dans la spirale interne 24A font tourner la roue de turbine 22, comme décrit ci-dessus, et sont déchargés à l'extérieur des spirales de la turbine à travers la sortie d'échappement 21b, comme on l'a décrit précédemment. Pendant le déplacement des gaz d'échappement, une partie des gaz d'échappement entrant dans la spirale externe 26A s'écoule dans la spirale interne 24A à travers les passages de communication 23a. Dans ce cas, les gaz d'échappement s'écoulant dans la spirale interne 24A sont orientés vers l'axe de rotation de la roue de turbine 22 en conformité avec la direction de passage de chaque passage de communication 23, ce qui a pour résultat que les gaz d'échappement s'écoulant dans la direction tangentielle de la roue de turbine 22 sont changés vers l'axe de rotation de la roue de turbine 22, abaissant de ce fait la vitesse de l'écoulement des gaz d'échappement qui heurtent la roue de turbine 22. Ainsi, la roue de turbine 22 est régulée de façon ne pas dépasser une vitesse de rotation désirée, ensuite la roue de compresseur 32 est également régulée pour ne pas tourner à une vitesse excessive, ayant pour résultat qu'une rotation non nécessaire de la roue de compresseur 32 est empêchée, avec pour effet que la surpression peut être commandée à une valeur établie par la soupape même aux vitesses du moteur intermédiaires et élevées, auxquelles vitesses la quantité des gaz d'échappement est importante. À ce sujet, dans ce turbocompresseur, la spirale externe A est agrandie dans la zone de la spirale dans le but d'agrandir un volume variable (la plage du volume peut être modifiée). Dans ce cas, un agrandissement de la spirale externe 25A dans la zone de la spirale dans la direction axiale empêche le turbocompresseur d'être surdimensionné dans la direction radiale de la spirale externe 25A, empêchant de ce fait des difficultés pour monter le turbocompresseur. D'une part, un simple agrandissement de la spirale externe 25A dans la zone de la spirale dans la direction axiale, comme cela est représenté à la figure 4, a pour résultat que les gaz d'échappement s'écoulant dans la spirale externe 25A sont perturbés par les multiples parties de bord des passages de communication 23a lorsque les gaz d'échappement se déplacent vers les passages de communication 23a, comme cela est indiqué par une flèche A, avec pour effet que l'écoulement des gaz d'échappement dans la spirale interne 24 à travers les passages de communication 23a devient non régulier. D'autre part, dans ce turbocompresseur, la spirale externe 25A est constituée du passage principal des gaz d'échappement 25al et du passage auxiliaire des gaz d'échappement qui est sous la forme une rainure. Ainsi, le passage auxiliaire des gaz d'échappement 25a2 guide une partie des gaz d'échappement s'écoulant dans le passage principal des gaz d'échappement vers la direction comme indiqué par une flèche B, avec pour effet que l'écoulement des gaz d'échappement dans la spirale interne 24A devient régulier. En d'autres termes, une partie des gaz d'échappement s'écoulant dans le passage extérieur des gaz d'échappement peut être introduite régulièrement dans le passage interne des gaz d'échappement 24a sans toute perturbation quelconque, empêchant de ce fait l'abaissement du rendement du turbocompresseur. Les figures 5 et 6 représentent un second mode de réalisation du turbocompresseur de cette invention. La structure du second mode de réalisation est sensiblement identique à celle du premier mode de réalisation sauf qu'il comporte une partie de turbine 20B (type différent de partie de turbine 20A) et une soupape de régulation 26B (type différent de soupape de régulation 26A). La soupape de régulation 26B est sous la forme d'une soupape du type clapet et sa partie intermédiaire est mise à pivoter vers le logement de turbine 21 et montée à la position intermédiaire entre le côté écoulement supérieur de l'ouverture 26b et le côté écoulement inférieur. Ainsi, lorsque le turbocompresseur est en fonctionnement, la soupape de régulation 26B ouvre et ferme chacun des côté écoulement supérieur et côté écoulement inférieur de l'ouverture 26b. Lorsque la soupape de régulation 26B est actionnée, les deux parties d'extrémité de la soupape de régulation 26B sont simultanément déplacées pour ouvrir ou fermer le côté écoulement supérieur de l'ouverture 26b et le côté écoulement inférieur de celle-ci au même instant. De même, dans le turbocompresseur du second mode de réalisation, une spirale interne 24B et une spirale externe B sont toutes les deux formées pour être progressivement coniques depuis le côté supérieur vers le côté inférieur des spirales et la spirale externe 25B et amené à être plus grande que la spirale interne 24B dans la zone de la spirale par rapport à chaque partie depuis le côté écoulement supérieure du passage des gaz d'échappement au côté écoulement inférieur. La spirale externe 25B est agrandie dans la zone de la spirale dans la direction axiale, avec pour effet que ladite spirale externe 25B est constituée du passage principal des gaz d'échappement 25bl et du passage auxiliaire des gaz d'échappement 25b2 qui est court dans la direction axiale et qui est formé sous forme de rainure. Ainsi, également dans le turbocompresseur du second mode de réalisation, le passage auxiliaire des gaz d'échappement b2 guide une partie des gaz d'échappement s'écoulant dans le passage principal des gaz d'échappement 25bl vers les passages de communication 23a, avec pour effet que l'écoulement des gaz d'échappement dans la spirale interne 24B devient uniforme. En d'autres termes, une partie des gaz d'échappement s'écoulant dans la spirale externe 25B peut être introduite uniformément dans la spirale interne 24B sans toute perturbation quelconque, empêchant de ce fait l'abaissement du rendement du turbocompresseur. REVENDICATIONS 1. Turbocompresseur caractérisé en ce qu'il comprend: un logement de turbine (21); un logement de compresseur (31)couplé au logement de turbine(21); un arbre (13) disposé avec faculté de rotation dans le logement; une roue de turbine (22) fixée à une première extrémité de l'arbre (13) de façon à être disposée dans un passage des gaz d'échappement dans le logement de turbine (21); une roue de compresseur (32)fixée à une seconde extrémité de l'arbre (13) de façon à être disposée dans un passage d'admission dans le logement de compresseur (31); une paroi de séparation (23) pour diviser le passage des gaz d'échappement au niveau d'un côté écoulement supérieur de la roue de turbine (22) en spirale interne (24A) et en spirale externe (25A), la paroi de séparation (23) ayant une pluralité de passages de communication (23a) permettant aux gaz d'échappement dans la spirale externe (25A) de s'écouler dans la spirale interne (24A), la spirale externe (25A) incluant une première partie de spirale et une seconde partie de spirale qui est en regard de la paroi de séparation (23), la largeur de la première partie de spirale dans la direction axiale de l'arbre (13) est plus grande que celle de la seconde partie de spirale d'une manière telle qu'une section transversale de la spirale externe comporte une partie étagée ; et une soupape de régulation (26A) disposée au niveau de l'ouverture d'entrée de la spirale externe pour commander les quantités des gaz d'échappement s'écoulant dans la spirale externe et dans la spirale interne. 2. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de la spirale interne (24A) est la même que celle de la seconde partie de la spirale. 3. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface en section transversale de la spirale interne (24A) est plus petite que celle de la spirale externe (25A). 4. Turbocompresseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface en section transversale de la spirale interne (24A) est plus petite que celle de la spirale externe (25A).