Brevet FR2957390A1 — publié le 20110916

COMPRESSEUR DE SURALIMENTATION A ONDES DE PRESSION, POUR MOTEURS A COMBUSTION INTERNE DE VEHICULES AUTOMOBILES La présente invention se rapporte à un compresseur de suralimentation à ondes de pression, muni d'un rotor cellulaire logé dans un carter et entraîné par un moteur électrique, ledit moteur comprenant des parties rotative et fixe dont le montage mutuel est assuré par des portées, ledit rotor étant monté, vis-à-vis dudit carter, par l'intermédiaire des mêmes portées que celles dédiées à ladite partie rotative. L'invention concerne un compresseur de suralimentation à ondes de pression qui est conçu pour être monté sur un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. Des moteurs à combustion interne, dévolus à des automobiles, sont suralimentés en vue d'accroître leur rendement. Au cours du cycle d'admission, le processus de mouvement des gaz est amélioré par une augmentation du degré de remplissage du cylindre. Des moteurs suralimentés ont une consommation spécifique moindre par rapport à des moteurs non suralimentés. Moyennant une résistance intérieure inchangée, un moteur suralimenté peut brûler la même quantité de mélange air-carburant qu'un moteur à cylindrée supérieure. En conséquence, il offre un rendement plus élevé. Des systèmes de suralimentation générant des processus de dynamique gazeuse dans des canaux fermés parcourus par les gaz, et employés pour la suralimentation, sont généralement désignés par « compresseurs de suralimentation à ondes de pression » ou par « machines à ondes de pression ». Les rotors cellulaires utilisés dans des machines à ondes de pression sont, en général, de configuration cylindrique et possèdent, le plus souvent, des canaux dont le tracé offre une section transversale constante et qui s'étendent depuis le côté des gaz chauds jusqu'au côté des gaz froids. Au stade actuel, pour des raisons d'aptitude à la régulation, des compresseurs de suralimentation à ondes de pression sont entraînés par des moteurs électriques se substituant aux anciens entraînements par courroies. Des moteurs électriques sont directement reliés à l'arbre du rotor cellulaire, par l'intermédiaire d'un accouplement. Cela permet d'obtenir que la vitesse angulaire puisse être choisie librement en fonction de l'état de marche, dans le périmètre des exigences fonctionnelles, et puisse être régulée indépendamment de la vitesse angulaire du vilebrequin du moteur à combustion interne. Au registre de l'art antérieur, il convient de mentionner le document EP 0 864 035 B1 ayant trait à un dispositif de suralimentation destiné à un moteur à combustion interne. La description porte sur un compresseur de suralimentation à ondes de pression, muni d'un rotor cellulaire logé dans un carter et entraîné par un moteur électrique. Ledit moteur comprend des parties rotative et fixe dont le montage mutuel est assuré par un dispositif de portée, un arbre dudit moteur pénétrant, d'une part, dans la pièce formant carter et, d'autre part, dans un moyeu dudit rotor auquel ledit arbre du moteur est couplé avec verrouillage rotatif. Il s'agit d'une forme de réalisation en deux parties, dans laquelle le rotor cellulaire est monté flottant. Un avantage énoncé consiste en ce que, de la sorte, une variation de longueur dudit rotor, résultant de contraintes thermiques changeantes, ne se traduit pas par des tensions dans les zones de montage. Néanmoins, l'accouplement entre le moyeu du rotor et l'arbre du moteur est lié à une complexité technique de fabrication accrue conditionnée par les éléments de serrage habituellement utilisés, tels que des clavettes d'ajustement encastrées, ou des boulons de serrage. Dans le cadre de l'art antérieur, il convient en outre de citer les documents DE 20 2006 004 975 U1, EP 0 286 931 Al, EP 1 184 346 A2 et US 4 910 956 A concernant, à chaque fois, des machines de suralimentation entraînées qui revêtent la forme de turbocompresseurs à gaz d'échappement, ou de compresseurs de suralimentation à ondes de pression. De même que pour tous les autres éléments constitutifs situés dans la région d'un moteur à combustion interne, des compresseurs de suralimentation à ondes de pression doivent être d'un encombrement le plus petit possible, car l'espace d'intégration disponible est restreint à proximité dudit moteur. La puissance électrique absorbée doit, de surcroît, être minimisée. A cette fin, les liaisons mécaniques telles que des accouplements, et des dispositifs de portée, doivent être conçues de manière que leur pourcentage de frottement soit le plus modeste possible, et que la rigidité du système atteigne toutefois un maximum. Suite à la rigidité exigée du système au regard de la flexion et du comportement vibratoire, le rotor cellulaire ou l'arbre du moteur est respectivement équipé d'une combinaison palier fixe-palier libre pour instaurer sa consignation à demeure dans le sens axial. Le moteur électrique couplé audit arbre possède un dispositif de portée distinct. Les longueurs individuelles, et des frottements individuels survenant dans les portées, se cumulent en une longueur totale et en un frottement global ayant, respectivement, des répercussions négatives sur la dissipation de puissance de l'entraînement du rotor, ou sur l'encombrement. En se fondant sur ces considérations, l'invention a pour objet de fournir un compresseur de suralimentation à ondes de pression dont la dissipation de puissance soit réduite, et dont la taille de réalisation soit modeste. Le compresseur de suralimentation à ondes de pression, conforme à l'invention, possède un carter dans lequel est logé un rotor cellulaire entraîné par un moteur électrique. Ledit moteur comporte, en tant que convertisseur électromoteur, une partie rotative et une partie fixe en vue de la génération d'énergie mécanique. Ces deux parties (induit, stator) sont montées mutuellement par l'intermédiaire d'un dispositif de portée, en vue de maintenir le frottement aussi faible que possible. Dans le compresseur conforme à l'invention, il est désormais prévu que le rotor cellulaire soit monté, vis-à-vis du carter, au moyen de la même portée que celle par laquelle la partie fixe est pareillement montée vis-à-vis de la partie rotative du moteur électrique. Le regroupement des portées permet de réduire les longueurs individuelles des pièces structurelles, c'est-à-dire desdites portées. Le nombre des zones de montage est moindre, ce qui implique moins de frottement et, par conséquent aussi, une plus faible dissipation de puissance. Dans le même temps, la suppression d'un dispositif de portée distinct, respectivement assigné au moteur électrique ou au rotor cellulaire, autorise une réalisation globalement plus compacte, plus légère, et donc moins encombrante du compresseur de suralimentation à ondes de pression. Dans une première variante, la partie fixe du moteur électrique est assujettie au carter et la partie rotative est disposée, en tant qu'induit intérieur, sur un arbre du rotor cellulaire. Le moteur électrique est conçu comme un induit intérieur. Un accouplement entre l'arbre dudit rotor, et un arbre de sortie jusqu'à présent prévu sur un moteur électrique, est totalement supprimé. Il s'agit d'un arbre monobloc s'étendant à partir du rotor cellulaire, jusque dans le moteur électrique. Ledit arbre monobloc, sur lequel l'induit dudit moteur électrique est monté, part ainsi dudit rotor cellulaire. Une première zone de montage du dispositif de portée peut alors être ménagée entre ledit rotor et ledit moteur. L'arbre portant l'induit peut être muni, en particulier, d'un rétrécissement étagé partant du rotor cellulaire. Cela a pour effet de créer les sièges nécessaires dévolus aux portées. Lesdits sièges se présentent comme des sièges d'ajustement serré. Il est créé, de surcroît, le siège nécessaire dédié à l'induit. Un avantage de cet agencement réside dans le fait que, dans le cas d'un arbre partant du rotor, toutes les pièces structurelles suivantes peuvent être successivement fixées sur cet arbre, par retrait ou par emboîtement à force. Dans la variante impliquant un induit intérieur, une caractéristique essentielle de l'invention consiste en ce que le moteur électrique est monté sur l'arbre du rotor cellulaire, et non l'inverse. C'est pourquoi l'arbre porteur peut également être désigné par « arbre du rotor cellulaire » dont les points de montage sont disposés d'un côté dudit rotor, mais de part et d'autre dudit moteur. Du fait de la suppression de la zone de montage spécifiquement assignée au moteur électrique, ce moteur proprement dit est quasiment monté à califourchon sur l'arbre du rotor cellulaire. Ledit moteur est, par lui-même, intégré dans le carter du compresseur de suralimentation à ondes de pression. Un carter propre, affecté audit moteur, s'en trouve supprimé. Cela, également, se traduit par une économie de poids et d'encombrement. Néanmoins, les avantages décisifs tiennent à ce que le dispositif de portée de l'arbre du rotor cellulaire sert, simultanément, de dispositif de portée destiné au moteur. Dans l'autre variante, la partie extérieure du moteur électrique est conçue comme un induit extérieur tournant qui est relié au rotor cellulaire. La partie fixe dudit moteur se trouve alors à l'intérieur, et est disposée sur un tourillon relié au carter. Dans ce cas, l'arbre rotorique est réalisé sous la forme d'un arbre creux, le moteur étant interposé entre le tourillon et ledit arbre creux. Il est même possible d'implanter le moteur électrique non seulement dans l'arbre du rotor cellulaire, mais directement dans ledit rotor cellulaire. Dans ce cas, ledit moteur est placé non pas avec décalage axial vis-à-vis dudit rotor, mais avec intégration directe à l'intérieur de ce dernier. Ce type de réalisation peut impliquer un rotor cellulaire dont le diamètre est certes plus fort, mais dont la longueur est toutefois nettement plus ramassée que dans une version avec moteur électrique axialement décalé. Le type de réalisation compact, pourvu du tourillon fixe, présuppose que ledit tourillon assure la délivrance d'énergie au moteur électrique. Une arrivée et, le cas échéant, une évacuation d'agent de refroidissement s'opère(nt) également, de préférence, par l'intermédiaire dudit tourillon. Ce dernier est réalisé, en conséquence, sous la forme d'un axe creux. L'air frais aspiré peut, en particulier, être utilisé en tant qu'agent de refroidissement. De ce fait, l'arrivée d'agent de refroidissement revêt de préférence la forme d'un canal de ventilation. Tant dans la variante à induit intérieur, que dans la variante à induit extérieur, il est prévu une paire de paliers rotatifs assurant respectivement le montage conjoint dudit induit et du rotor cellulaire, vis-à-vis du stator ou du carter, sachant que ledit carter remplit la fonction d'un support de couples de rotation, assigné au rotor et à l'induit. Ledit rotor cellulaire est monté à rotation, par rapport audit carter, uniquement par l'intermédiaire de ladite paire de paliers rotatifs. Dans un autre agencement structurel de l'invention, un compresseur axial, installé sur l'arbre du rotor cellulaire, est prévu pour accroître le niveau de pression d'air de refroidissement aspiré, avant pénétration dans ledit rotor cellulaire. Le compresseur axial est monté, notamment, en amont du moteur électrique dans la direction de l'écoulement. Ledit compresseur axial provoque une circulation forcée d'air de refroidissement à travers un ou plusieurs étage(s) de compression (roues à ailettes). Le refroidissement de l'enroulement statorique du moteur électrique a lieu par l'intermédiaire de l'empilement de tôles statoriques et par l'intermédiaire de l'air frais aspiré, circulant par le carter du compresseur de suralimentation à ondes de pression. Par ailleurs, une transmission de chaleur s'effectue par conduction thermique et par convexion, et/ou au moyen de canaux à air de refroidissement qui sont spécifiquement prévus et qui, en vue du refroidissement du moteur, dérivent adéquatement un courant d'air frais à partir de l'air frais aspiré. En résumé, les avantages procurés par l'invention résident dans la possibilité d'obtenir, concrètement, un type de réalisation plus compact concernant la longueur totale du système. Il est fait l'économie d'au moins trois pièces structurelles, à savoir un dispositif de portée du moteur, un accouplement et un support ou une bride dudit moteur. Cela élimine le frottement de deux éléments constitutifs, c'est-à-dire du dispositif de portée du moteur, et d'éventuelles forces de frottement de l'accouplement. Le moment d'inertie est réduit. Des forces d'accélération moindres s'avèrent nécessaires. La réponse du compresseur de suralimentation à ondes de pression est, en conséquence, plus rapide. L'invention va à présent être décrite plus en détail, à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard du dessin schématique annexé sur lequel : la figure 1 illustre un moteur électrique entraînant un compresseur de suralimentation à ondes de pression ; et la figure 2 représente un moteur électrique logé dans un rotor cellulaire. La figure 1 montre, schématiquement, un moteur électrique 1 qui entraîne un compresseur de suralimentation à ondes de pression. Seul est illustré un rotor cellulaire 2 faisant partie dudit compresseur. Ledit rotor 2 est monté à rotation dans un carter non représenté en détail dans ce cas. Il est calé sur un arbre rotorique 3 monté, par l'intermédiaire de portées 4, 5, vis-à-vis dudit carter non illustré en détail. La particularité consiste en ce que ledit arbre 3 traverse le moteur 1 d'un seul bloc. Ainsi, les portées 4, 5 assurent aussi bien le montage du rotor 2 par rapport au carter, que le montage d'une partie intérieure rotative 6 dudit moteur 1, reliée à l'arbre rotorique 3, par rapport à une partie extérieure fixe 7 complémentaire. Dans le présent cas, le moteur électrique 1 est conçu comme un induit intérieur. Les portées 4, 5 se trouvent de part et d'autre dudit moteur 1, la zone de montage située à droite, dans le plan du dessin, étant obligatoirement interposée entre ledit moteur 1 et le rotor 2. Dans la forme de réalisation selon la figure 2, un moteur électrique 8 est logé à l'intérieur du rotor cellulaire 2. Ledit moteur 8 est conçu comme un induit extérieur, si bien que sa partie rotative 9 tourne autour d'une partie fixe 11, conjointement à un moyeu 10 dudit rotor 2. Ladite partie fixe 11 est assujettie à un tourillon 12. Des portées 13, 14 se trouvent de part et d'autre du moteur 8, entre ledit tourillon 12 et ledit moyeu 10 du rotor 2. La portée 13 située à gauche, dans le plan du dessin, revêt la forme d'un palier à bord incliné, c'est-à-dire d'un palier fixe. La portée 14 placée à droite, dans le plan du dessin, est conçue comme un palier libre/palier de guidage. Un écran 15 protège ladite portée vis-à-vis du côté des gaz chauds. Le refroidissement du moteur électrique 8 est assuré par de l'air de refroidissement aspiré, guidé pour s'écouler par le tourillon 12 configuré en un arbre creux. Dans le présent cas, ledit tourillon 12 comporte des arrivées d'agent de refroidissement non illustrées en détail, par lesquelles circule l'air de refroidissement qui est dévié à l'extrémité dudit tourillon 12. Cela est symbolisé par des flèches P. Après avoir été dévié, l'air de refroidissement est dirigé vers ledit moteur 8. L'espace interne du tourillon 12 renferme également, de manière non illustrée en détail, une arrivée d'énergie dévolue au moteur électrique 8. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au compresseur décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. Liste des références numériques et alphabétique 1 moteur électrique 2 rotor cellulaire 3 arbre rotorique 4 portée de l'arbre 5 portée de l'arbre 6 partie rotative du moteur électrique 7 partie fixe du moteur électrique 8 moteur électrique 9 partie rotative du moteur électrique 10 moyeu du rotor cellulaire 11 partie fixe du moteur électrique 12 tourillon 13 portée du tourillon 14 portée du tourillon 15 écran protecteur P circulation de l'air de refroidissement15 REVENDICATIONS- 1. Compresseur de suralimentation à ondes de pression, muni d'un rotor cellulaire (2) logé dans un carter et entraîné par un moteur électrique (1), ledit moteur (1) comprenant des parties rotative (6) et fixe (7) dont le montage mutuel est assuré par des portées (4, 5), ledit rotor (2) étant monté, vis-à-vis dudit carter, par l'intermédiaire des mêmes portées (4, 5) que celles dédiées à ladite partie rotative (6), compresseur caractérisé par le fait que, dans le cas d'un moteur électrique (1) conçu comme un induit intérieur, un arbre (3) du rotor cellulaire traverse ledit moteur (1) d'un seul bloc. 2. Compresseur de suralimentation selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un compresseur axial, installé sur l'arbre (3) du rotor cellulaire, est prévu pour accroître le niveau de pression d'air de refroidissement aspiré, avant pénétration dans ledit rotor cellulaire (2). 3. Compresseur de suralimentation selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le compresseur axial est monté en amont du moteur électrique (1) dans la direction de l'écoulement.