Brevet FR2831607A1 — publié le 20030502

(4). L'invention concerne un turbocompresseur fonctionnant avec des gaz d'échappement pour un moteur à combustion interne avec une turbine fonctionnant avec des gaz d'échappement qui est montée sur le circuit des gaz d'échappement et un compresseur qui est disposé sur la conduite d'admission de l'air et qui est connecté par i'intermédiaire d'un arbre avec la turbine fonctionnant avec des gaz d'échappement; la turbine fonctionnant avec des gaz d'échappement comprenant un agencement de turbine à géométrie variable permettant d'ajuster de manière variable la section transversale disponible pour l'admission du flux de gaz arrivant sur la roue de la turbine, entre une position d'étranglement o la section transversale disponible pour l'admission du flux est réduite et une position d'ouverture o la section transversale disponible pour l'admission du flux est élargie; I'agencement à géométrie variable de la turbine étant réalisé sous la forme d'une grille de guidage entourant la roue de la turbine et ayant sur sa circonférence des aubes de guidage individuelles; et les aubes de guidage contiguës présentant, dans la position d'étranglement, un espacement minimum, garantissant un trajet pour le flux dans la direction de la roue de la turbine. Un turbocompresseur de ce type est décrit dans le document DE 197 52 534 C1. Le turbocompresseur comprend un compresseur qui est disposé sur la conduite d'admission de l'air et qui est relié par un arbre à une turbine fonctionnant avec des gaz d'échappement, qui est montée sur le circuit des gaz d'échappement du moteur à combustion interne et qui est entranée par les gaz d'échappement arrivant sous une pression de gaz augmentée, depuis le moteur à combustion interne. Le compresseur aspire l'air environnant et comprime cet air à une pression augmentée, à laquelle il est injecté en tant qu'air de combustion dans le moteur à combustion interne. La turbine fonctionnant avec des gaz d'échappement est pourvue d'un agencement à géométrie variable qui permet d'ajuster de manière variable la section transversale disponible pour l'admission du flux sur la roue de la turbine. La possibilité est ainsi offerte de pouvoir obtenir, aussi bien en phase de freinage par le moteur qu'en régime de fonctionnement normal du moteur, davantage de puissance respectivement en phase de freinage du moteur ou en marche normale. 2 2831607 Dans la phase de freinage du moteur, I'agencement à géométrie variable de la turbine est dans une position d'étranglement, o la section transversale disponible pour l'admission du flux est réduite à un minimum, ce qui permet d'augmenter la pression du gaz d'échappement et oblige les pistons du moteur à combustion interne à travailler contre une pression au gmentée des gaz d'échappement. En régime de ma rche normale du moteur, I'agencement à géométrie variable de la turbine est généralement dans une position d'ouverture, o la section transversale disponible pour l'admission du flux est élargie, permettant ainsi un passage maximum des gaz d'échappement dans la turbine fonctionnant avec ces gaz d'échappement. L'agencement à géométrie variable de la turbine est constitué par une grille de guidage disposée dans la section transversale disponible pour l'admission du flux, avec des aubes de guidage montées de manière pivotante sur la grille de guidage. Les aubes de guidage sont disposées suivant la circonférence de la grille de guidage et chacune d'entre elles a un axe de pivotement parallèle à l'axe du compresseur. Dans la position d'étranglement, les aubes de guidage sont pivotées vers une position dans laquelle la section transversale disponible pour l'admission du flux entre deux aubes de guidage contiguës est minimale. Dans la position d'ouverture, ce passage pour le flux entre deux aubes de guidage contiguës est. par contre, maximal. Avec une telle grille de guidage, le problème peut se poser que durant le fonctionnement du moteur en régime normal et du fait de la pression élevée des gaz d'échappement ainsi que de la diminution de la section transversale disponible pour l'admission du flux entre les aubes de guidage contiguës, des ondes de choc dues à la compression peuvent appara^'tre dans le domaine des ultrasons, qui se propagent alors à la roue de la turbine et qui peuvent conduire à une détérioration des aubes de la roue de la turbine. On est donc obligé d'affaiblir les ondes de choc dues à la compression du gaz d'échappement arrivant sur la roue de la turbine, de manière toutefois à ce que cela n'affecte pas l'efficacité du frein moteur, qui normalement entre en action lorsque la section transversale disponible pour l'admission du flux est étroite. Il est vrai que ces ondes de choc dues à la compression peuvent étre dim in uées en faisant en sorte que l'espacement entre la grille de guidage et la roue de 3 2831607 la turbine soit relativement large; toutefois, ceci aboutit à une structure volumineuse et le manque de place dans le compartiment moteur ou dans le véhicule automobile rend généralement cette solution impraticable. Le document > de A. W. Reichert, Duisbourg, 1994, divulgue que dans le cas de turbines fixes de grande taille, on peut monter une grille de guidage annulaire, avec des aubes de guidage, entourant radialement la roue de la turbine. Sur le côté interne des aubes de guidage, il y a un bord faisant face au flux qui provoque de multiples réflexions des ondes de choc dues à la compression du milieu gazeux incident, ce qui a pour effet d'affaiblir les ondes de choc dues à la compression. Toutefois, dans ce document, aucune utilisation de ce système n'est prévue pour des turbocompresseurs de petite taille. L'invention a pour objectif de fournir un turbocompresseur de petite taille avec un agencement de turbine à géométrie variable, qui puisse être utilisé sur un moteur à combustion interne, qui ait une durée de vie utile importante et qui permette d'assurer une puissance augmentée du frein moteur. En particulier, il ne doit pas y avoir de diminution de la puissance du frein moteur qui est réduite par les ondes de choc dues à la compression arrivant sur la roue de la turbine. Ce problème est résolu selon l'invention, grâce au fait que l'espacement minimum (bmjn) entre deux aubes de guidage contiguës dans la position d'étranglement satisfait la relation: bmin est l'indice d'isentropie. Les avantageuses dispositions suivantes sont en outre adoptées de préférence, prises seules ou en combinaison entre plusieurs d'entre elles: - I'espacement minimum (bmjn) entre deux aubes de guidage contiguës satisfait la relation bmin circonférence de la grille de guidage. Sur le côté radialement interne de chaque aube de guidage, il y a un bord faisant face au flux qui a, de préférence, un profil aérodynamique convexe, avec un angle qui est lié, par l'intermédiaire d'une relation, à l'indice d'isentropie ainsi qu'au nombre de Mach moyen dans la région du bord arrière des aubes de guidage. Le bord faisant face au flux se trouve, de préférence, dans la région de la section transversale la plus étroite c'est-à-dire celle o la distance entre deux aubes de guidage contiguës est la plus petite - et il améliore le comportement du flux à travers le réseau de guidage. Or, c'est plus particulièrement en aval du bord faisant face au flux que le flux produit des ondes de choc générant des ultrasons. Le fait de prévoir un tel bord faisant face au flux permet, dans le cas de turbocompresseurs de petite taille, d'améliorer de manière significative, le comportement du flux des gaz d'échappement circulant entre les aubes de guidage contiguës. Grâce au profil spécial de la grille de guidage entre les aubes de guidage contiguës, il se produit une ou plusieurs réflexions des ondes de choc générant des ultrasons sur les côtés des aubes de guidage, ce qui conduit à un affaiblissement de l'onde de choc et à une diminution concomitante des sollicitations auxquelles la roue de la turbine est soumise. En particulier, dans le cas o les aubes de guidage de chaque couple d'aubes de guidage contiguës se superposent - du moins dans la position d'étranglement - suivant la circonférence de la grille de guidage annulaire lorsque celle-ci est vue en coupe, I'arrivée des gaz d'échappement provoque, dans la section transversale disponible pour l'admission du flux entre les aubes de guidage contiguës, I'apparition d'une onde de choc due à la compression qui est dirigée vers l'extérieur, qui part du bord arrière de l'aube de guidage interne, qui est ensuite réfléchie sur la surface orientée vers l'intérieur de l'aube de guidage externe et qui est finalement dirigée vers l'intérieur, dans la direction de la roue de la turbine. Grâce à la réflexion des ondes de choc générées par la compression, celles-ci, lorsqu'elles arrivent sur la roue de la turbine, sont sensiblement affaiblies et le danger de rupture d'une aube est diminué. La distance minimale entre deux aubes de guidage contiguës, lorsqu'elles se trouvent dans la position d'étranglement, ne doit pas être 6 2831607 supérieure à 50 % du diamètre de la roue de la turbine, divisé par le nombre d'aubes de guidage réparties sur la circonférence de la grille de guidage annulaire. Cette relation traduit la nécessité d'avoir une section transversale disponible pour l'admission du flux arrivant sur la roue de la turbine qui soit aussi petite que possible dans la position d'étranglement de l'agencement à géométrie variable de la turbine, si on veut obtenir une puissance du frein moteur plus élevée, dans une phase d'activation du frein moteur. La relation en question décrit une interdépendance entre I'espacement minimum entre deux aubes de guidage contiguës dans la position d'étranglement, le diamètre de la roue de la turbine dans la région de la section transversale disponible pour l'admission du flux ainsi que le nombre d'aubes de guidage de la grille de guidage annulaire. On a ainsi à disposition une règle pour le choix de l'espacement entre des aubes de guidage contiguës, lors de la conception d'un compresseur de petite taille répondant aux exigences structurelles susmentionnées. L'espacement minimum, dans une forme d'exécution particulièrement préférée, ne dépasse pas 30 % du diamètre de la roue de la turbine, divisé par le nombre d'aubes de guidage, étant entendu que des valeurs entre 30 % et 50 % et, le cas échéant, inférieures à 30 % ou égales exactement à 30 % ou à 50 % entrent également en ligne de compte. Dans une autre variante d'exécution préférée, un autre paramètre important pour le choix des dimensions est l'épaisseur du bord arrière des aubes de guidage, qui doit correspondre au moins à 20 % de la distance minimale entre les aubes de guidage dans la position d'étranglement. Cette valeur pour l'épaisseur du bord arrière de chaque aube de guidage est. d'une part, suffisamment petite pour garantir une vitesse du flux élevée, en particulier dans la région du bord arrière et pour éviter un détachement au bord arrière et, d'autre part, elle est suffisamment grande pour garantir une excellente stabilité de cette structure lui permettant de résister aux sollicitations mécaniques et thermiques importantes qui apparaissent dans la phase d'activation du frein moteur. Comme autre règle dans le choix des dimensions, en particulier dans le cas d'un compresseur de petite taille, on peut, de manière avantage use, cho isi r la d istance entre le bo rd arrière d'u ne au be de guidage et la circonférence de la roue de la turbine, pour qu'elle soit inférieure ou égale à 10 % du diamètre de la roue de la turbine et, en particulier, inférieure ou égale à 5 %, étant entendu que des valeurs intermédiaires entre 5 % et 10 %, ainsi que des valeurs inférieures à 5 %, exactement égales à 5 % ou à 10 % entrent également en ligne de compte. Lorsque ces dimensions sont ainsi choisies, on réduit au minimum la fente entre la circonférence de la roue de la turbine et la grille de guidage dans la région de la section transversale pour l'admission du flux, ce qui permet d'obtenir un appareil particulièrement compact. La grille de guidage avec les aubes de guidage constitue l'agencement à géométrie variable de la turbine qui est réalisé, de man ière avantageuse, soit sous la forme d' u ne g ri lle avec des au bes de guidage fixes, qui peut être introduite axialement dans la section transversale disponible pour l'admission du flux; soit sous la forme d'une grille fixe dans la section transversale disponible pour l'admission du flux avec des aubes de guidage capables de pivoter. Le cas échéant, des formes d'exécution construites encore différemment peuvent entrer en ligne de compte. D'autres avantages et formes d'exécution appropriées deviendront apparents à l'examen des dessins et à la lecture de la description des dessins qui suit. Dans ces dessins: la Fig. 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne avec un turbocompresseur, dont la turbine fonctionnant avec des gaz d'échappement est pourvue d'un agencement à géométrie variable, qui est réalisé sous la forme d'une grille de guidage annulaire avec des aubes de guidage, comme illustré sur la fig. 2 et sur la fig. 3, la Fig. 2 est une vue en coupe de la grille de guidage annulaire d'un agencement à géométrie variable de turbine avec deux aubes de gu idage rep résentées dans la position d'étranglement (l ign e continue) et dans la position d'ouverture (ligne discontinue). la Fig. 3 est une vue en coupe agrandie de la représentation de la fig. 2 dans la région la plus étroite de la section transversale disponible 8 2831607 pour l'admission du flux entre deux aubes de guidage contiguës, représentées dans la position d'étranglement. Le moteur à combustion interne représenté sur la fig. 1 - qui est un moteur à allumage par étincelle (type Otto) ou un moteur diesel - est équipé d'un turbocompresseur 2 comprenant une turbine 3 fonctionnant avec des gaz d'échappement et montée sur le circuit 4 des gaz d'échappement et un compresseur 5 monté sur la conduite 6 d'admission de l'air. La turbine 3 fonctionnant avec des gaz d'échappement est entranée par les gaz d'échappement en surpression du moteur à combustion interne et le mouvement de rotation de la roue de sa turbine est transmis par l'intermédiaire d'un arbre 7 au compresseur 5, qui aspire l'air environnant à pression atmosphérique et l'amène à une pression augmentée. Cet air sous pression est ensuite refroidi dans le refroidisseur 9 de l'air d'admission, puis introduit comme air d'admission dans les cylindres du moteur à combustion interne 1. Concernant les gaz d'échappement, après leur passage dans la turbine 3 fonctionnant avec des gaz d'échappement, les gaz d'échappement dilatés subissent une épuration et ils sont finalement évacués dans l'atmosphère. La turbine 3 fonctionnant avec des gaz d'échappement est pourvue d'un agencement 8 à géométrie variable qui permet d'ajuster de manière variable la section transversale disponible pour l'admission du flux sur la roue de la turbine fonctionnant avec des gaz d'échappement. L'ajustage de l'agencement à géométrie variable de la turbine se fait en fonction de variables d'état et de variables de commande du moteur à combustion interne et des composants associés. L'agencement à géométrie variable de la turbine peut être ajusté de manière variable entre une position d'étranglement o la section transversale disponible pour l'admission du flux gaz présente une ouverture minimale et une position d'ouverture o la section transversale disponible pour l'admission du flux est maximale. La position d'étranglement intervient en particulier lorsque le moteur fonctionne comme un frein, pour produire une pression dans les gaz d'échappement qui soit la plus élevée possible, afin de contrer le mouvement des pistons dans le moteur à combustion interne. La position d'ouverture maximale intervient, en particulier, lorsque le moteur fonctionne à un régime élevé ou tourne à une vitesse élevée. 9 2831607 En outre, le moteur à combustion interne 1 comporte une installation 10 de recyclage des gaz d'échappement, comprenant une conduite 11 de recyclage entre le circuit 4 des gaz d'échappement et la conduite 6 d'admission de l'air, ainsi qu'une soupape de recyclage réglable 12 et un refroidisseur 13. L'ensemble des composants associés au moteur à combustion interne est géré par une unité de contrôle et de commande 14, en fonction des grandeurs d'état et des grandeurs de commande du moteur à combustion interne; en particulier, I'agencement 8 à géométrie variable de la turbine et la soupape de recyclage 12 dans l'installation 10 de recyclage des gaz d'échappement sont commandés par l'unité de contrôle et de commande 14. L'agencement 8 à géométrie variable de la turbine est réalisé sous la forme d'une grille de guidage réglable. Un exemple d'exécution d'une telle grille de guidage est représenté sur les figs. 2 et 3. Conformément à la fig. 2, I'agencement à géométrie variable de la turbine comprend une grille de guidage 15 présentant une pluralité d'aubes de guidage 1 6a, 1 6b réparties suivant sa circonférence. Le nombre total de ces aubes de guidage est. de préférence, neuf, étant entendu que l'on peut éventuellement prévoir ici un nombre différent d'aubes de guidage. La grille de guidage 15 avec ses aubes de guidage est réalisée sous la forme d'une grille de guidage annulaire qui entoure radialement la roue 18 de la turbine fonctionnant avec des gaz d'échappement. Entre la roue 18 de la turbine et la grille de guidage 15, il y a une section transversale 17 disponible pour l'admission du flux qu'emprunte le flux des gaz d'échappement arrivant radialement entre les aubes de guidage contiguës 1 6a, 1 6b pour déboucher sur les aubes de la roue 18 de la turbine. Le diamètre maximum de la roue de la turbine dans la région de la section transversale disponible pour l'admission du flux est indiqué par DTR. Les aubes de guidage 16 sont avantageusement montées de manière à être mobiles par rapport à la grille de guidage 15, à l'aide d'arbres de positionnement 19. Les arbres de positionnement 19 permettent un mouvement de pivotement relatif par rapport à la grille de guidage 15, grâce à quoi l'angle de positionnement des aubes de guidage 16 peut être modifié entre une position d'étranglement indiquce par une 2831607 ligne continue et une position d'ouverture indiquée par le trait discontinu. Dans la position d'étranglement - qui est illustrée à plus grande échelle sur la fig. 3 - la distance et donc la section transversale disponible pour le flux entre deux aubes de guidage contiguës 16 est alors minimale; cet espacement est indiqué par bmjn. L'espacement minimum bmin entre des aubes de guidage contiguës dans la position d'étranglement est. par exemple, de l'ordre de 2,5 à 3 mm. Dans la position d'ouverture, la distance entre les aubes de guidage contiguës est maximale, elle est alors indiquée par bmax. L'espacement minimum bmjn correspondant à la position d'étranglement des aubes de guidage peut étre choisi en tenant compte du diamètre DTR de la roue de la turbine et du nombre d'aubes de guidage z de la grille de guidage, en utilisant la relation: bmjn turbine, divisé par le nombre d'aubes de guidage. Comme autre règle concernant les dimensions, le double de la distance entre le bord arrière 20 de chaque aube de guidage 16 et l'axe du compresseur, indiqué par DHK, doit être conforme à la relation DHK 1,1 DTR Dans cette relation, la distance DHK est celle trouvée dans la position d'étranglement des aubes de guidage 16. Selon cette relation, la distance entre le bord arrière de chaque aube de guidage dans la position d'étranglement et la périphérie de la roue de la turbine dans la région de la section transversale disponible pour l'admission du flux est plus petite ou égale à 10 % du diamètre DTR de la roue de la turbine dans la région de la section transversale disponible pour l'admission du fiux. Eventuellement, on peut envisager une valeur inférieure ou égale à 5 % du diamètre de la roue de la turbine. 1 2831607 Comme cela ressort de la fig. 3, le bord arrière 20 de chaque aube de guidage 16 peut être chanfreiné sur un côté, le chanfrein formant un angle avec un vecteur de flux dans le trajet du flux entre des aubes de guidage contiguës16 inférieur à 90 . Le chanfrein à un côté du bord arrière 20 limite le nombre de Mach maximum atteint par le flux et évite tout détachement au bord arrière. Il convient que l'épaisseur du bord arrière dHK soit égale au moins à 20 % de l'espacement minimum bmjn entre les aubes de guidage 16 dans la position d'étranglement. De préférence, les aubes de guidage présentent, aussi bien dans la position d'étranglement que dans la position d'ouverture, une région de chevauchement dans la direction de la circonférence, o le flux circule entre l'extrémité arrière d'une aube de guidage située radialement à l' intérieu r et l'extrém ité avant de l'au be de gu idage immédiatement contiguë situé radialement à l'extérieur. Dans la région de la section transversale la plus étroite bmjn emprunté par le flux entre deux aubes de guidage contiguës, il est avantageux de prévoir un bord 21 faisant face au flux sur le côté interne de l'aube de guidage disposée radialement à l'extérieur, et que ce bord 21 faisant face au flux ait un profil aérodynamique convexe avec, cependant, un côté rectilinéaire formant un angle oc qui est donné par la relation oc = k arctan ( lM 2 1) - arctan (4M 2 1), k k = - M indique ici le nombre de Mach moyen - par exemple, il a la valeur 2 - dans la région du bord arrière 21 de l'aube de guidage et est l'indice d'isentropie. La relation donnée pour l'angle du bord faisant face au flux peut, éventuellement, être utilisée indépendamment des autres relations géométriques susmentionnées lors de la conception de la grille de guidage pour un turbocompresseur d'un moteur à combustion interne fonctionnant avec des gaz d'échappement. 2831 607 R EVE N D I CATI ON S 1. Turbocompresseur fonctionnant avec des gaz d'échappement, pour un moteur à combustion interne, avec une turbine (3) fonctionnant avec des gaz d'échappement qui est montée sur le circuit (4) des gaz d'échappement et un compresseur (5) qui est disposé sur la conduite ( 6) d'admission de l'air et qui est connecté par l'intermédiaire d'un arbre (7) avec la turbine (3) fonctionnant avec des gaz d'échappement; la turbine (3) fonctionnant avec des gaz d'échappement comprenant un agencement de turbine (8) à géométrie variable permettant d'ajuster de manière variable la section transversale (17) disponible pour l'admission du flux de gaz arrivant sur la roue (18) de la turbine, entre une position d'étranglement o la section transversale disponible pour l'admission du flux est réduite et une position d'ouverture o la section transversale disponible pour l'admission du flux est élargie; I'agencement (8) à géométrie variable de la turbine étant réalisé sous la forme d'une grille de guidage (15) entourant la roue (18) de la turbine et ayant sur sa circonfé- rence des aubes de guidoge (16) individuelles; et les aubes de guidage contiguës (16) présentant, dans la position d'étranglement, un espacement minimum (bmjn), garantissant un trajet pour le flux dans la direction de la roue (18) de la turbine; caractérisé en ce que, I'espacement minimum (bmjn) entre deux aubes de guidage contiguës (16) dans la position d'étranglement satisfait la relation: bmin 13 2831607 = k arctan ( 1 M 2 _ 1) - arctan (4M 2 1), k k V K- OU M est le nombre de Mach moyen dans la région du bord arrière (20) de l'aube de guidage, K est l'indice d'isentropie. 2. Turbocompresseur fonctionnant avec des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espacement minimum (bmjn) entre deux aubes de guidage contiguës (16) satisfait la relation: bmin 0,3 DTR / Z 3. Turbocompresseur fonctionnant avec des gaz d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les aubes de guidage de chaque couple d'aubes de guidage contiguës (16) se chevauchent partiellement, au moins dans la position d'étranglement, dans la direction de la circonférence de la grille de guidage (15). 4. Turbocompresseur fonctionnant avec des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bord arrière (20) radialement interne d'une aube de guidage (16) présente une épaisseur (dHK) de bord arrière qui est égale au moins à 0,2 fois l'espacement minimum (bmjn) entre deux aubes de guidage (16) contiguës. 5. Turbocompresseur fonctionnant avec des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que i4 2831607 le double de la distance (DHK) entre l'axe du compresseur et le bord arrière (20) d'une aube de guidage (16) est lié au diamètre (DTR) de la roue (18) de la turbine par la relation DHK 6. Turbocompresseur fonctionnant avec des gaz d'échappement selon la revendication 5, caractérisé en ce que, le double de la distance (DHK) entre l'axe du compresseur et le bord arrière (20) d'une aube de guidage (16) est lié au diamètre (DTR) de la roue (18) de la turbine par la relation DHK 7. Turbocompresseur fonctionnant avec des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les aubes de guidage (16) sont fixées rigidement à la grille de guidage (15) et en ce que la grille de guidage (15) peut étre déplacée axialement dans la section transversale ( 17) disponible pour l'admission du flux, la position d'engagement dans la section transversale (17) disponible pour l'admission du flux correspondant à la position d'étranglement et la position de désengagement de la section transversale (17) disponible pour l'admission du flux correspondant à la position ouverte. 8. Turbocompresseur fonctionnant avec des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, les aubes de guidage (16) sont couplées de manière pivotante avec la grille de guidage (15) et en ce que les aubes de guidage (16) sont ajustables entre la position d'étranglement et la position ouverte. 9. Turbocompresseur fonctionnant avec des gaz d'échappement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, en tout neuf aubes de guidage (16) sont prévues pour être réparties sur la