Brevet FR2814499A1 — publié le 20020329

TURBOCOMPRESSEUR DE MOTEUR, MOTEUR TURBOCOMPRESSE ET PROCEDE DESTINE A EMPECHER QUE LA TURBINE D'UN TURBOCOMPRESSEUR NE S'ENGORGE La présente invention concerne des moteurs turbocompressés à combustion interne, des turbocompresseurs destinés aux moteurs de ce type ainsi qu'un procédé destiné à empêcher que la turbine d'un turbocompresseur ne s'engorge à vitesse élevée. La présente invention concerne plus particulièrement de nouvelles améliorations apportées au système dit "à soupape de décharge" qui, dans certaines conditions d'utilisation, dérive une partie des gaz d'échappement du moteur à partir du port d'entrée de la turbine du turbocompresseur. De manière générale, un turbocompresseur comprend une turbine entraînée par les gaz d'échappement du moteur et un compresseur destiné à fournir de l'air atmosphérique comprimé pour assurer la combustion du carburant dans le moteur, la turbine et le compresseur étant tous les deux fixés sur un arbre rotatif commun. En raison de la diversité des dimensions fixes, il n'est pas possible d'obtenir une combinaison turbine - compresseur - moteur qui convienne parfaitement à toutes les gammes de vitesses, de charge et de fonctions d'un moteur. Habituellement, les composants d'un turbocompresseur sont appariés de manière à pouvoir assurer une fonction particulière du moteur, afin de garantir une efficacité globale moteur/turbocompresseur optimale dans des conditions de vitesse et de charge données. En dehors de ce cadre déterminé, l'efficacité est réduite. 2 2814499 Si l'on choisit d'utiliser une petite turbine de turbocompresseur pour répondre à des spécifications de régime de moteur bas et de couple élevé, ceci a pour conséquence que, lorsque le moteur tourne à régime élevé, la pression de l'air est excessive (pour une taille de compresseur donnée) et risque de poser des problèmes au niveau du moteur. A l'inverse, si l'on choisit d'utiliser une turbine de turbocompresseur de taille supérieure pour répondre à des spécifications de régime de moteur élevé, la turbine peut ne pas développer suffisamment de puissance lorsque le moteur tourne à bas régime pour produire suffisamment d'air comprimé et répondre ainsi à des spécifications de régime de moteur bas et de couple élevé. Dans le cas o l'on choisit une petite turbine de turbocompresseur, le système à "soupape de décharge" est couramment adopté afin de réduire l'excédent de production d'air comprimé à des régimes plus élevés. Cet objectif est atteint en dérivant une partie des gaz d'échappement, à des régimes plus élevés, à partir du port d'entrée de la turbine et en réintroduisant les gaz d'échappement dérivés au niveau d'un point en aval de la turbine. Bien que ceci empêche la turbine de s'engorger, il est évident que cela fait également perdre une partie de l'énergie procurée par les gaz d'échappement. D'un autre côté, si l'on choisit d'utiliser une turbine de turbocompresseur de taille supérieure, le problème lié au manque d'air comprimé à un régime bas du moteur peut être solutionné en faisant appel à des mécanismes qui permettent de réduire la capacité effective des tuyères de la turbine, simulant par-là même les caractéristiques d'une turbine de taille inférieure. Le brevet britannique GB-A-2106191 propose un exemple dans lequel on utilise la pression d'air pour atteindre cet objectif, l'air comprimé étant évacué via une soupape de régulation dans des fentes ou des orifices d'alimentation des canalisations de diffusion d'air, qui sont formés dans la bague extérieure du stator et qui s'ouvrent, dans une direction radiale ou sensiblement radiale, dans le débit de gaz d'échappement entre les aubes du stator. D'autres systèmes mécaniques sont connus pour faire varier la capacité des tuyères de la turbine en modifiant la position angulaire des tuyères à la demande, permettant ainsi de satisfaire les spécifications de régime et de charge du moteur. Malheureusement, ces systèmes sont pénalisés à la fois par leur coût et par le manque de fiabilité lié à une complexité mécanique accrue. Selon un aspect de réalisation de l'invention, la présente invention se rapporte à un moteur turbocompressé à combustion interne, dont le turbocompresseur comprend une turbine à débit axial conçue pour être entraînée par un flux de gaz d'échappement produits par le moteur, et un compresseur d'air conçu pour être entraîné par la turbine pour fournir de l'air atmosphérique comprimé pour assurer la combustion du carburant dans le moteur; la turbine étant pourvue d'aubes de stator qui définissent des tuyères positionnées en amont des aubes du rotor, et une soupape de dérivation conçue pour dériver une partie du flux de gaz d'échappement à partir du port d'entrée de la turbine, jusque dans une région située en aval de la turbine, la soupape de dérivation et la turbine étant reliées de telle sorte 4 2814499 qu'une partie du flux de gaz d'échappement est dérivée dans une région de la turbine définie entre les cols des tuyères et les bords d'attaque du profil des aubes du rotor. De cette façon, le flux de gaz d'échappement dérivé pénètre dans une région de basse pression de la turbine o ils peuvent agir de façon efficace, d'une part en entraînant les aubes du rotor et, d'autre part, en empêchant que les aubes de stator ne s'engorgent, améliorant par-là même l'efficacité du système moteur/turbocompresseur combiné. Selon un autre aspect de réalisation de l'invention, le turbocompresseur comprend une turbine à débit axial et un compresseur d'air; la turbine étant pourvue d'aubes de stator qui définissent des aubes positionnées en amont des aubes du rotor, un carter définissant des ports ou moyens d'entrée primaires et secondaires pour les gaz d'échappement, le premier port d'entrée étant conçu de manière à admettre les gaz d'échappement dans la turbine, en amont des aubes du stator, et le second port d'entrée, à soupape de décharge étant conçu et positionné de manière à diriger le flux de gaz d'échappement dans une région de la turbine définie entre les cols des tuyères et les bords d'attaque du profil des aubes du rotor. D'autres caractéristiques de l'invention concernent à la fois un moteur turbocompressé à combustion interne et un turbocompresseur. De préférence, au moins quelques- unes des aubes du stator définissent un passage interne destiné à recevoir le flux de gaz d'échappement dérivé issu de la soupape de décharge et chaque passage est positionné de manière à diriger le flux de gaz d'échappement dérivé issu de la soupape de décharge dans 2814499 la région de la turbine. Dans ce cas, chaque passage est positionné de préférence de manière à diriger les gaz d'échappement à travers un côté convexe de son aube de stator. De cette façon, la partie du flux de gaz d'échappement dérivée est évacuée à partir des côtés basse pression des aubes du stator. Au moins un orifice est formé de préférence à travers le côté convexe de chaque aube de stator dans son passage interne et les orifices sont positionnés de manière à diriger le flux de gaz d'échappement dérivé dans la région de la turbine. Selon un autre aspect de réalisation de l'invention, un procédé destiné à empêcher que la turbine du turbocompresseur ne s'engorge à vitesse élevée, comprend une étape qui consiste à dériver une partie du flux de gaz d'échappement produit par un moteur à combustion interne associé, dans une région de basse pression de la turbine située en aval des cols des tuyères de la turbine dans un premier arrangement d'aubes du stator de la turbine. Le procédé comprend de préférence une étape qui consiste à augmenter la proportion de gaz d'échappement qui sont dérivés, en fonction de la vitesse de rotation de la turbine. La région de basse pression est définie entre le col des tuyères des aubes du stator et le bord d'attaque du profil en aval des aubes du rotor. Le procédé comprend de préférence une étape qui consiste à introduire le flux de gaz d'échappement dérivé à travers les surfaces convexes des aubes du stator. L'invention va maintenant être décrite plus en détails au moyen d'un exemple uniquement, en référence aux dessins annexés sur lesquels: 6 2814499 La Figure 1 est un diagramme illustrant un moteur à combustion interne pourvu d'un turbocompresseur équipé du système typique dit "à soupape de décharge", selon l'art antérieur; La Figure 2 est un diagramme illustrant de quelle manière le système représenté sur la Figure 1 est modifié selon la présente invention; La Figure 3 illustre l'interaction entre les aubes du rotor et les aubes du stator dans une section d'une turbine à débit axial d'un turbocompresseur de type connu, les aubes étant vues de haut en bas et des flèches étant utilisées pour indiquer le flux directionnel des gaz d'échappement; et La Figure 4 est un diagramme illustrant la modification apportée aux aubes du stator représenté sur la figure 3, selon la présente invention. En référence à la Figure 1, un moteur turbocompressé à combustion interne 10 est pourvu d'un collecteur d'admission d'air 11 destiné à recevoir de l'air comprimé en provenance d'un compresseur d'air 12 qui fait partie du turbocompresseur, et d'un collecteur de gaz d'échappement 13 conçu de manière à fournir un flux 14 de gaz d'échappement à une turbine à débit axial 15. Comme cela est bien connu dans l'art, la turbine 15 récupère l'énergie du flux 14 de gaz d'échappement pour entraîner le compresseur d'air 12 au moyen d'un arbre d'entraînement 16. Le compresseur d'air 12, la turbine 15 et l'arbre d'entraînement 16 sont supportés à l'intérieur de carters appropriés définissant le corps principal du turbocompresseur, ainsi qu'un port d'entrée de l'air 17 et un port de sortie des gaz 18. Le turbocompresseur 12, est conçu de manière à fonctionner selon un système 7 2814499 dit "à soupape de décharge" grâce à l'installation d'une soupape de dérivation 19 entre le collecteur de gaz d'échappement 13 et la turbine 15. La soupape de dérivation 19 a pour fonction de dériver une partie du flux 14 de gaz d'échappement le long d'une conduite 20 jusque dans le port de sortie des gaz 18 à partir de la turbine 15. Un système de silencieux est généralement intégré dans la conduite 20. La soupape de dérivation 19 se met en fonctionnement entre le moment o la totalité du flux 14 de gaz d'échappement est dirigé dans la turbine 15 et, le(s) moment(s) o différentes proportions du flux 14 de gaz d'échappement sont dirigées le long de la conduite 20 pour être évacués dans l'atmosphère via le port de sortie des gaz 18. Les numéros de référence identiques sur les Figures 1 et 2 désignent les mêmes composants. Sur la figure 2, il est à noter que la conduite 20 de la Figure 1 a été remplacé par une conduite 21 qui amène le flux de gaz d'échappement dérivé à partir de la soupape de dérivation 19 jusque dans un port d'entrée secondaire de la turbine , situé entre le premier port d'entrée des gaz et le port de sortie des gaz 18. De cette façon, le gaz dérivé est évacué dans une région de la turbine 15 située entre la région du col des aubes du stator et le bord d'attaque du profil des aubes du rotor de la turbine, comme cela sera décrit plus avant dans le texte, en référence à la Figure 4. En référence à la Figure 3 il est à noter que, dans une section de turbine à débit axial typique d'un turbocompresseur, tous les gaz d'échappement produits par le moteur circulent entre les aubes 30 du stator en forme d'aile, comme indiqué par les flèches 31. Comme 8 2814499 représenté, les aubes 30 du stator définissent des tuyères 32 qui accélèrent la circulation des gaz d'échappement et modifient la direction du débit pour le projeter contre les bords d'attaque 33 du profil des aubes 34 du rotor en forme d'aile. De cette manière, les aubes 34 du rotor tirent suffisamment d'énergie du flux de gaz d'échappement pour faire fonctionner le compresseur d'air 12. Les numéros de référence identiques sur les Figures 3 et 4 désignent les mêmes composants et l'on décrira uniquement ce qui fait leur différence. Il est à noter que les aubes 30 du stator sont pourvues chacune d'un passage interne 35 conçu pour amener le gaz dérivé entre la soupape de dérivation 19 aux orifices 36 qui sont formés dans le côté convexe de chaque aube de stator dans son passage interne 35. Ces orifices sont disposés à proximité des bords d'attaque 37 des aubes du stator. Les passages internes 35 des aubes 30 du stator communiquent avec la conduite 21 de la Figure 2 via des galeries appropriées formées dans le carter (non représenté) du turbocompresseur. Dans cette configuration, le fait d'amener les gaz jusqu'aux aubes de la turbine via des galeries est bien connu dans l'art. De cette façon, le flux de gaz dérivé pénètre dans une région 38 de la turbine, définie entre les tuyères 32 et les bords d'attaque 33 du profil des aubes 34 du rotor. Il est à noter tout particulièrement que la pression du flux des gaz d'échappement qui passe par- dessus le côté convexe des aubes 30 du stator est nettement plus basse que la pression du flux des gaz d'échappement qui passe par-dessus leurs côtés concaves. Il est à noter également que l'action des tuyères 32 qui 9 2814499 consiste à accélérer la circulation des gaz d'échappement vers les bords d'attaque 33 du profil des aubes 34 du rotor entraîne elle aussi une nette diminution de la pression du flux des gaz. C'est la raison pour laquelle la pression de la région 38 de la turbine est inférieure à celle du flux des gaz d'échappement qui entre en contact avec les aubes 30 du stator. Par conséquent, le gaz dérivé pénètre dans la région de basse pression 38 de la turbine, empêchant par-là même que les tuyères 32 ne s'engorgent et permettant au gaz dérivé d'agir efficacement en entraînant les aubes 34 du rotor et en empêchant, dans le même temps, que les aubes 30 du stator ne s'engorgent. On peut envisager que le gaz dérivé soit réintroduit de différentes autres manières, dans le flux principal à l'intérieur de la région 38 de la turbine. Il est à noter que la présente invention concerne un procédé ayant pour but d'empêcher que la turbine d'un turbocompresseur ne s'engorge à vitesse élevée, et comprenant l'étape qui consiste à dériver une partie des gaz d'échappement produits par le moteur à combustion interne associé, dans une région de basse pression de la région 38 de la turbine. La soupape de dérivation 19 est entraînée par un mécanisme (non représenté) qui dépend de la vitesse de rotation de la turbine, de telle sorte que la proportion du gaz d'échappement dérivé est fonction du régime du moteur. Dans un exemple de l'invention, une turbine de turbocompresseur est dimensionnée de manière à répondre au mieux aux spécifications de couple élevé du moteur à bas régime. Lorsque, pour des conditions d'efficacité maximale, il est nécessaire que tout le gaz d'échappement o 2814499 soit dirigé vers le port d'entrée principal de la turbine, la soupape de dérivation 19 est réglée de manière à fermer la conduite 21. La capacité de rendement maximum de la turbine dépend dans une large mesure de la zone en coupe des tuyères qui est moindre dans les régions de cols des tuyères 32. En aval du col de la tuyère, la zone de flux des tuyères 32 augmente, leur procurant ainsi la capacité d'accepter une injection d'une quantité limitée de gaz d'échappement en provenance de la conduite 21. Au fur et à mesure que le régime et la charge du moteur 10 augmentent, la soupape de dérivation 19 se met progressivement en fonctionnement de manière à diriger une quantité croissante de gaz d'échappement dans cette région en avant, qui est en fait la région 38 de la turbine. Cet objectif est atteint d'une manière qui ne crée pas de barrière de fluide, ce qui serait autrement susceptible de réduire le flux de gaz d'échappement principal à travers les tuyères 32 du stator. Ce procédé empêche donc que la turbine ne s'engorge et il permet, par la même occasion, qu'une partie de l'énergie dérivée produite par les gaz soit récupérée en passant à travers les aubes 34 du rotor, de manière suffisamment efficace pour faire fonctionner le compresseur 12. La soupape de dérivation 19 peut être commandée de sorte à fonctionner avec au moins la pression du collecteur d'admission d'air du moteur 10. Au fur et à mesure que la pression du collecteur augmente au-delà d'une valeur prédéterminée, la soupape de dérivation dérive une certaine quantité de gaz d'échappement dans la conduite 21, la quantité de gaz dérivé variant selon les exigences du moteur et les objectifs d'efficacité visés du système moteur/turbocompresseur combinés. i 2814499 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Moteur turbocompressé à combustion interne (10) dans lequel le turbocompresseur comprend une turbine à débit axial (15) conçue pour être entraînée par un flux de gaz d'échappement (14) produits par le moteur, et un compresseur d'air (12) conçu pour être entraîné par la turbine pour fournir de l'air atmosphérique (17) comprimé au moteur; la turbine étant pourvue d'aubes (30) de stator qui définissent des tuyères (32) positionnés en amont des aubes (34) du rotor, et une soupape de dérivation (19) conçue pour dériver une partie du flux de gaz d'échappement (21) à partir du port d'entrée de la turbine, jusque dans une région située en aval de la turbine, caractérisé en ce que la soupape de dérivation (19) et la turbine sont reliées de telle sorte qu'une partie du flux de gaz d'échappement (21) est dérivé dans une région (38) de la turbine définie entre les cols des tuyères et les bords d'attaque du profil des aubes du rotor. 2. Moteur turbocompressé à combustion interne selon la revendication 1, dans lequel au moins quelques-unes des aubes (30) du stator définissent un passage interne (35) destiné à recevoir les gaz d'échappement dérivés, chaque passage étant positionné de sorte à diriger le gaz d'échappement dérivé dans la région (38) de la turbine. 3. Moteur turbocompressé à combustion interne selon la revendication 2, dans lequel chaque passage est positionné de sorte à diriger le flux de gaz 13 2814499 d'échappement à travers un côté convexe de son aube (30) de stator. 4. Moteur turbocompressé à combustion interne selon la revendication 2, dans lequel au moins un orifice (36) est formé à travers le côté convexe de chaque aube (30) de stator dans son passage interne (35), les orifices étant positionnés de sorte à diriger le gaz d'échappement dérivé dans une région de la turbine. 5. Turbocompresseur comprenant une turbine à débit axial (15) et un compresseur d'air (12); la turbine étant pourvue d'aubes (30) de stator qui définissent des tuyères (32) positionnées en amont des aubes (34) du rotor (34), et des moyens d'entrée primaire destinés à admettre les gaz d'échappement (31) dans la turbine, en amont des aubes du stator, caractérisé en ce que des moyens d'entrée (35, 36) à soupape de décharge sont positionnés pour diriger les gaz d'échappement dans une région (38) de la turbine définie entre les cols des tuyères et les bords d'attaque du profil des aubes du rotor. 6. Turbocompresseur selon la revendication 5, dans lequel au moins quelques-unes des aubes (30) du stator définissent un passage interne (35) destiné à recevoir les gaz d'échappement de la soupape de décharge, chaque passage étant conçu pour diriger le gaz d'échappement de la soupape de décharge dans la région (38) de la turbine. 7. Turbocompresseur selon la revendication 6, dans lequel chaque passage est conçu pour diriger le gaz -14 2814499 d'échappement à travers un côté convexe de son aube de stator. 8. Turbocompresseur selon la revendication 6, dans lequel au moins un orifice est formé à travers le côté convexe de chaque aube de stator dans son passage interne, les orifices étant disposé de sorte à diriger le gaz de la soupape de décharge dans la région de la turbine. 9. Procédé destiné à empêcher que la turbine d'un turbocompresseur ne s'engorge à vitesse élevée, caractérisé par une étape qui consiste à dériver une partie des gaz d'échappement produits par un moteur à combustion interne (10) associé, dans une région (38) de la turbine située en aval des cols des tuyères (32) de la turbine dans un premier arrangement d'aubes (30) du stator de la turbine. 10. Procédé selon la revendication 9, comprenant l'étape qui consiste à augmenter la proportion de gaz d'échappement dérivés en fonction de la vitesse de rotation de la turbine. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, dans lequel la région de la turbine vers laquelle une certaine proportion de gaz d'échappement est dérivée, est définie entre le col des tuyères (32) des aubes du stator et le bord d'attaque de profil en aval des aubes du rotor; le procédé comprenant l'étape qui consiste à introduire les gaz d'échappement dérivés à travers les surfaces convexes des aubes du stator.