Brevet FR2950105A1 — publié le 20110318

La présente invention concerne un système tourbillonnaire pour conduit d'air, prévu en particulier pour le conduit d'entrée d'un turbocompresseur de moteur thermique, notamment de véhicule automobile. La fonction principale du turbocompresseur est d'alimenter le moteur thermique associé avec de l'air sous pression, dans des conditions déterminées de pression et de température. Placé à la sortie du moteur, le turbocompresseur exploite l'énergie cinétique (vitesse), volumétrique (pression) et thermique (température) contenue dans les gaz d'échappement, pour mettre en rotation rapide une turbine, solidaire en rotation d'un compresseur d'air lui- même placé sur le circuit d'admission d'air du moteur et ainsi alimenté en air. Autrement dit, en fonctionnement, les gaz d'échappement font tourner une turbine, laquelle fait tourner un compresseur qui lui-même envoie de l'air sous pression dans le circuit d'admission. Grâce à un tel apport d'air comprimé, il devient possible de « suralimenter » le moteur en carburant. La plage de rendement maximum du turbocompresseur doit correspondre à la plage de suralimentation optimum souhaitée pour le moteur. Pour atteindre cet objectif, un facteur majeur est la conception des conduits d'alimentation, avec les critères connus suivants : - Adaptation du diamètre du conduit par rapport au débit 20 maximum du moteur, - Pertes de charge minimum, - Homogénéité des pressions, - Homogénéité des vitesses, - Variation minimum des vitesses, 25 - Adaptation du mouvement tourbillonnaire de l'air à l'entrée du turbocompresseur. La présente invention s'intéresse plus particulièrement à ce dernier aspect, c'est-à-dire la création et l'adaptation, dans le conduit d'entrée d'air du turbocompresseur, d'un mouvement tourbillonnaire hélicoïdal adapté, qui peut 30 être caractérisé par un coefficient, autrement dit un nombre sans dimension (rapport entre deux quantités de mouvement défini dans une section d'un conduit cylindrique), souvent désigné par l'expression « taux de swirl ». Un turbocompresseur étant un système fonctionnant sur une plage de charge assez étendue, il est souhaitable de créer en amont du 35 turbocompresseur, et pour chaque cas de charge du moteur, un écoulement d'air approprié, ayant des caractéristiques les plus proches possible de ce que le turbocompresseur exige pour ce cas de charge, et ceci avec une adaptation continue. Il s'agit, notamment, de produire à l'entrée du turbocompresseur un écoulement dans lequel l'air présente une augmentation de sa vitesse de rotation, avec un taux de swirl (tel que défini plus haut) ajustable suivant l'augmentation de la vitesse de rotation du turbocompresseur ou du débit d'air. En effet, sous des conditions de flux optimum, le flux d'air en provenance du conduit d'entrée du turbocompresseur « épouse » le profil des pales de la turbine de ce turbocompresseur. Par contre, pour des conditions de flux instables sur les pales de la turbine, le flux d'air qui serait mal conçu peut devenir trop chaotique ou inadapté (le flux d'air « décollant » des parois du fait de l'angle d'incidence qui devient trop élevé) et peut alors provoquer des instabilités dans le turbocompresseur, elles-mêmes source de bruit à l'intérieur du véhicule concerné. En utilisant un système créant un mouvement d'air tourbillonnaire adapté donc variable, à l'entrée du turbocompresseur, les instabilités évoquées ci-dessus peuvent être réduites d'une manière significative. La solution actuellement connue consiste en un système piloté, dont la géométrie est adaptée en fonction de la charge du moteur, avec variation commandée de l'angle d'incidence du flux d'air sur la turbine du turbocompresseur. Un tel système est décrit dans le document de brevet DE 10 2005 019 896 Al ou le document de brevet DE 10 2006 058 071 Al. L'inconvénient majeur de ces conceptions actuelles est leur coût très élevé, conséquence du pilotage ou de leur commande motorisée continue, au regard des bénéfices obtenus pour le moteur dans les cas de charge où un mouvement tourbillonnaire est nécessaire. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, et elle a donc pour but de fournir un système créant toujours le mouvement d'air tourbillonnaire variable souhaité, pour réduire les instabilités au niveau du turbocompresseur, mais sans nécessiter un pilotage ou une commande motorisée continue. Plus particulièrement, l'objectif de l'invention est de fournir un système créant un mouvement d'air tourbillonnaire à l'entrée d'air du turbocompresseur, avec un « taux de swirl » convenablement adapté au moteur et à son turbocompresseur, depuis les faibles débits d'air jusqu'aux débits d'air les plus forts, c'est-à-dire un « taux de swirl » fort à bas débit, et très faible à haut débit, tout en minimisant les pertes de charge. L'invention vise aussi à fournir un dispositif qui, au-delà de ses qualités fonctionnelles, puisse être assemblé commodément et efficacement dans un conduit quelconque. A cet effet, la présente invention a essentiellement pour objet un système tourbillonnaire pour conduit d'air, en particulier pour le conduit d'entrée d'air d'un turbocompresseur de moteur thermique, notamment de véhicule automobile, ce système possédant un corps de forme annulaire, avec évidement central, pouvant être placé dans un conduit d'air de dimensions correspondantes, ledit corps portant une série de pales flexibles réparties sur sa circonférence et faisant saillie dans l'évidement central de ce corps, de telle sorte qu'en fonction du débit d'un flux d'air dans le conduit, les pales s'engagent plus ou moins dans cet évidement central. Ainsi, la présente invention propose un système tourbillonnaire « auto-régulé », dans lequel, en fonction du débit d'air, les pales par exemple au nombre de trois ou quatre, voire plus, se plient plus ou moins fortement sous l'effet du flux d'air et s'engagent vers le centre du corps à faible débit, et au contraire s'effacent dans la zone périphérique du corps à fort débit, pour limiter au maximum les pertes de charge à fort débit. Le système, constitué et fonctionnant selon le principe défini ci-dessus, constitue un module simple, compact et économique, et de surcroît particulièrement fiable, dans la mesure où il ne nécessite ni pilotage, ni commande motorisée. Il convient seulement que ce système soit réalisé dans une matière suffisamment souple, telle que thermoplastique élastomère ou autre matière de type « caoutchouc », afin d'obtenir la flexibilité recherchée pour les pales. Ces pales flexibles peuvent être moulées avec le corps, en une seule et même matière, ce qui représente la structure et le mode de fabrication les plus simples. En variante, les pales flexibles peuvent être formées par surmoulage sur un corps présentant une plus grande rigidité. Dans tous les cas, la souplesse des pales peut être augmentée en particulier par une liaison entre ces pales et le corps sous la forme d'une zone amincie, formant une charnière, ou d'une zone de section ou d'étendue limitée de toute autre manière. Dans une forme de réalisation avantageuse du système tourbillonnaire selon l'invention, le corps annulaire présente, en correspondance avec chacune des pales flexibles, un logement dans lequel la pale correspondante est apte à s'escamoter complètement, à fort débit d'air. Le système devient ainsi complètement « invisible » dans le conduit d'air, ne créant aucune perte de charge à fort débit, c'est-à-dire lorsque ce système n'a pas à intervenir. En particulier dans ce dernier cas, les pales flexibles sont, de préférence, rattachées au corps suivant des lignes sensiblement parallèles à l'axe central du corps, donc à la direction moyenne du flux d'air traversant le système. Toutefois, dans une variante de réalisation, les pales flexibles sont rattachées au corps suivant des lignes sensiblement orthogonales à l'axe central du corps. Les pales se plient ainsi avec une cinématique différente, en conservant ici encore la possibilité d'un escamotage complet de ces pales dans des logements correspondants ménagés dans le corps annulaire. En ce qui concerne le montage du système tourbillonnaire dans un conduit ou autre élément prévu pour recevoir ce système, la présente invention propose aussi des solutions qui représentent une amélioration notable par rapport aux solutions connues, telles que celle décrite dans le document de brevet DE 10250302 B4 (ou son équivalent le document EP 1416123 A2). Ces solutions d'assemblage connues nécessitent soit une prise en sandwich du système entre deux parties, soit un emmanchement en bout de conduit. Selon un aspect de la présente invention, le corps annulaire de système tourbillonnaire est pourvu, extérieurement, d'un anneau de maintien élastiquement déformable, prévu pour se loger dans une gorge annulaire correspondante creusée dans le conduit d'air, ou autre pièce réceptrice. Cette solution évite l'utilisation de deux pièces pour une prise en sandwich, et elle fournit aussi un assemblage particulièrement robuste, en comparaison avec un assemblage par simple emmanchement. Dans une variante présentant globalement les mêmes avantages, au lieu d'un anneau de maintien continu, le corps annulaire du système tourbillonnaire est pourvu, extérieurement, de bossages ou ergots de maintien répartis sur sa circonférence, et prévus pour se loger dans des rainures correspondantes ménagées dans le conduit d'air, ou autre pièce réceptrice, lesdites rainures se présentant avantageusement comme des rampes hélicoïdales. Ces solutions permettent, avec une conformation appropriée du conduit d'air, d'encastrer le corps du système tourbillonnaire dans le conduit, de telle sorte que ce corps ne provoque ni restriction de section, ni pertes de charge. De plus, en fonction des matériaux employés, les solutions d'assemblage ici proposées possèdent des qualités antivibratoires. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de ce système tourbilonnaire pour conduit d'air : Figure 1 est une vue en perspective d'un système tourbillonnaire conforme à la présente invention, dans un premier mode de réalisation, les pales flexibles étant représentées pliées ; Figure 2 est une vue de face de ce système, en correspondance avec la figure 1 ; Figure 3 est une autre vue en perspective du système des figures 1 et 2; Figure 4 est encore une autre vue en perspective du système des 15 figures précédentes ; Figure 5 est une vue en perspective d'un système tourbillonnaire conforme à la présente invention, dans un deuxième mode de réalisation, les pales flexibles étant représentées pliées ; Figure 6 est une vue de face du système de la figure 5 ; 20 Figure 7 est une autre vue en perspective du système des figures 5 et 6; Figure 8 représente, en perspective, un système tourbillonnaire selon l'invention pourvu d'un anneau de maintien élastiquement déformable ; Figure 9 illustre le système de la figure 8 assemblé dans un tronçon 25 de conduit d'air ; Figure 10 représente, en perspective, un système tourbillonnaire selon l'invention avec ergots de maintien ; Figure 11, représente, en perspective un tronçon de conduit d'air prévu pour recevoir le système de la figure 10. 30 Comme le montre le dessin, le système tourbillonnaire selon l'invention comprend, d'une façon générale, un corps annulaire 2 délimitant un évidement central 3, et une série de pales flexibles 4. Les pales flexibles 4, par exemple au nombre de trois, sont régulièrement réparties sur la circonférence du corps annulaire 2. Ces pales 4 35 se rattachent à la périphérie du corps annulaire 2, et elles font saillie dans l'évidement central 3 dudit corps 2. Les pales 4 peuvent être obtenues avec le corps 2, par un moulage « monobloc », par exemple en polyester souple. Selon une autre possibilité, le corps annulaire 2 est d'abord moulé seul, en une matière plus rigide telle que polyamide chargée ou non de fibres de verre, et ensuite les pales 4 sont rapportées par surmoulage. Dans ce dernier cas, les pales 4 sont formées dans une matière telle que polyuréthane thermoplastique (TPU) permettant un accrochage « chimique » au corps 2 du fait de la compatibilité des matières, ou dans une matière telle que polyester autorisant un accrochage « mécanique » au corps 2, grâce à des formes appropriées. Une première forme de réalisation du système tourbillonnaire est représentée aux figures 1 à 4, auxquelles il est plus particulièrement fait référence dans la suite. Dans cette forme de réalisation, les pales flexibles 4 sont rattachées au corps annulaire 2 suivant des lignes 5 parallèles à l'axe central A du corps 2, autrement dit suivant des génératrices de ce corps 2. En correspondance avec chacune des pales 4, le corps annulaire 2 présente des ouvertures 6, délimitées sur un côté par les lignes 5 de rattachement des pales 4. Lorsque le système tourbillonnaire est monté dans un conduit d'air, notamment un conduit d'entrée d'air d'un turbocompresseur, et en cours d'utilisation, un flux d'air F (voir figure 3) de direction moyenne axiale traverse l'évidement central 3 du corps 2. Sous l'effet de ce flux d'air F, les pales flexibles 4 se plient plus ou moins fortement, en occupant ou dégageant plus ou moins l'évidement central 3. En particulier, pour un faible débit d'air, les pales 4 s'avancent fortement vers l'axe central A, et créent ainsi un fort « taux de swirl » alors souhaité pour le turbocompresseur associé. A l'inverse, pour les forts débits d'air, les pales 4 se rapprochent du corps annulaire 2, jusqu'à venir finalement s'encastrer dans les ouvertures 6 correspondantes, en supprimant alors l'effet tourbillonnaire et en réduisant pratiquement à zéro les pertes de charge induites par le système dans le conduit d'entrée d'air du turbocompresseur. Une deuxième forme de réalisation du système tourbillonnaire est représentée aux figures 5 à 7, sur lesquelles les éléments correspondant à 35 ceux décrits précédemment sont désignés par les mêmes repères. Dans cette autre forme de réalisation, les pales flexibles 4 sont rattachées au corps annulaire 2 suivant des lignes 5 qui sont orthogonales (et non plus parallèles) à l'axe central A du corps, donc aussi (en fonctionnement) orthogonales à la direction moyenne du flux d'air F traversant le système. Le corps 2 comporte ici encore des ouvertures 6 dans lesquelles les pales 4 s'escamotent pour les débits élevés, les ouvertures 6 se présentant ici comme de larges échancrures débouchant sur un bord du corps annulaire 2. Le principe de fonctionnement est analogue à celui de la précédente forme de réalisation : les pales flexibles 4 plient plus ou moins, selon le débit d'air, en créant un effet tourbillonnaire pour les faibles débits, et en s'effaçant pour les forts débits, jusqu'à s'encastrer dans les ouvertures 6 pour ne plus créer de pertes de charge. En se référant maintenant aux figures 8 et suivantes, on décrira enfin des solutions d'assemblage du système tourbillonnaire, désigné dans son ensemble par le repère 7, dans un conduit d'air 8 dont seul un court tronçon a été représenté ici très schématiquement. Selon une première solution, illustrée aux figures 8 et 9, le corps annulaire 2 du système tourbillonnaire 7 est pourvu, extérieurement, d'un anneau de maintien 9 élastiquement déformable, dépassant légèrement (à l'état libre) sur toute la circonférence du corps 2. Lors du montage du système tourbillonnaire 7, l'anneau de maintien 9 vient se loger dans une gorge annulaire 10 correspondante, creusée dans le conduit d'air 8, ce qui assure la retenue du système 7 dans le conduit 8. Selon une autre solution, illustrée aux figures 10 et 11, le corps annulaire 2 du système tourbillonnaire 7 est pourvu, extérieurement, de plusieurs ergots de maintien 11 régulièrement répartis sur sa circonférence, par exemple trois ergots séparés par des intervalles angulaires de 120°. Ces ergots 11 sont prévus pour se loger dans des rainures 12 correspondantes, en forme de rampes hélicoïdales s'étendant chacune par exemple sur un quart de tour, qui réalisent une fonction de compression lors du montage du système tourbillonnaire 7 dans le conduit 8. Le dispositif d'assemblage ainsi constitué forme aussi une « réserve élastique » antivibratoire. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce système tourbillonnaire pour conduit d'air qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. En particulier, on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention : - En prévoyant des pales flexibles en nombre plus ou moins élevé, et de toutes formes ; - En réalisant sous toute forme, notamment affaiblie par réduction 5 d'épaisseur ou de longueur, la zone de liaison entre chaque pale flexible et le corps du système ; - En réalisant le système en toutes matières appropriées, et par tout procédé de fabrication adapté ; - En fixant le système dans un conduit d'air, ou autre pièce ou 10 partie réceptrice, par tous moyens ; - En destinant le système à toutes applications, en association ou non avec un turbocompresseur, et ceci dans le domaine automobile ou dans toute autre industrie. REVENDICATIONS1. Système tourbillonnaire pour conduit d'air, en particulier pour le conduit d'entrée d'air d'un turbocompresseur de moteur thermique, notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il possède un corps (2) de forme annulaire, avec évidement central (3), pouvant être placé dans un conduit d'air (8) de dimensions correspondantes, ledit corps (2) portant une série de pales flexibles (4) réparties sur sa circonférence et faisant saillie dans l'évidement central (3) de ce corps, de telle sorte qu'en fonction du débit d'un flux d'air (F) dans le conduit, les pales (4) s'engagent plus ou moins dans cet évidement central (3). 2. Système tourbillonnaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pales flexibles (4) sont moulées avec le corps (2), en une seule et même matière. 3. Système tourbillonnaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pales flexibles (4) sont formées par surmoulage sur un corps (2) présentant une plus grande rigidité. 4. Système tourbillonnaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la souplesse des pales (4) est augmentée par une liaison entre ces pales (4) et le corps (2) sous la forme d'une zone de section ou d'étendue limitée, en particulier une zone amincie, formant une charnière. 5. Système tourbillonnaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps annulaire (2) présente, en correspondance avec chacune des pales flexibles (4), un logement (6) dans lequel la pale (4) correspondante est apte à s'escamoter complètement à fort débit d'air. 6. Système tourbillonnaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les pales flexibles (4) sont rattachées au corps (2) suivant des lignes (5) sensiblement parallèles à l'axe central (A) du corps (2), donc à la direction moyenne du flux d'air (F) traversant le système. 7. Système tourbillonnaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les pales flexibles (4) sontrattachées au corps (2) suivant des lignes (5) sensiblement orthogonales à l'axe central (A) du corps. 8. Système tourbillonnaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps annulaire (2) est pourvu, extérieurement, d'un anneau de maintien (9) élastiquement déformable, prévu pour se loger dans une gorge annulaire (10) correspondante creusée dans le conduit d'air (8), ou autre pièce réceptrice. 9. Système tourbillonnaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps annulaire (2) est pourvu, extérieurement, de bossages ou ergots de maintien (11) répartis sur sa circonférence, et prévus pour se loger dans des rainures (12) correspondantes ménagées dans le conduit d'air (8), ou autre pièce réceptrice. 10. Système tourbillonnaire selon la revendication 9, caractérisé en ce que les dites rainures (12) se présentent comme des rampes hélicoïdales.