Brevet FR3009019A1 — publié le 20150130

- 1 - SOUPAPE DE DECHARGE DE TURBOCOMPRESSEUR La présente invention concerne une soupape de décharge de turbocompresseur. Plus précisément, elle a pour objet une soupape de décharge de turbocompresseur contrôlant l'écoulement de gaz d'échappement entre une première et une deuxième section de conduit d'écoulement, comportant un siège de soupape fixe et un clapet pivotant entre deux positions. En position de fermeture, il est en appui sur le siège de soupape de manière à obturer le passage de la première à la deuxième section de conduit. A l'ouverture, il libère le passage du gaz entre les deux sections de conduit, en s'écartant progressivement du siège. Cette invention trouve une application privilégiée, mais non exclusive, dans un système de régulation de la pression de suralimentation pour moteur à combustion interne, notamment du type diesel, comportant deux étages de turbocompresseurs. Dans ce type de suralimentation, le petit turbo dit « turbo haute pression » assure principalement la suralimentation du moteur aux faibles régimes. Lorsque le régime moteur augmente, le turbo haute pression est progressivement mis hors circuit par la soupape de décharge, et le gros turbo, dit « turbo basse pression », prend progressivement le relai jusqu'aux régimes les plus élevés du moteur. La puissance prélevée aux gaz d'échappement par la turbine à haute pression, peut aussi être modulée par l'orientation d'ailettes en amont de turbine, si le turbo haute pression est à géométrie variable. L'ouverture d'une soupape de décharge, ou clapet bypass, permet de contrôler le contournement de la turbine du turbo haute pression, qu'il s'agisse d'un turbo à géométrie fixe ou - 2 - à géométrie variable. Aux faibles débits (dans une application ciblée, par exemple jusqu'à environ 1750 tours par minute), la soupape est fermée, et tous les gaz passent par la turbine du turbo haute pression avant d'attaquer la turbine basse 5 pression. Aux régimes intermédiaires (par exemple vers 2700 tours par minute), la soupape est entrouverte, et une partie des gaz passe directement vers la turbine basse pression, sans passer par la turbine haute pression. Au-delà, la soupape est complètement ouverte, et presque tous les gaz passent 10 directement vers le turbo basse pression. Les soupapes de décharge sont généralement des soupapes à clapet pivotant. Dans la publication US 6 976 359, le siège de la soupape est engagé à l'extrémité du conduit. Le clapet est rabattu sur celui-ci lorsqu'il est fermé. Ouvert, il 15 libère pratiquement toute la section du conduit, sans s'opposer à l'écoulement des gaz en direction du deuxième turbocompresseur. Mais aux faibles ouvertures de la soupape, le flux des gaz est gêné dans son écoulement. Les gaz chauds sont alors projetés à forte vitesse sur les parois latérales 20 du conduit aval, créant, tant que la soupape reste entrouverte, un très fort échauffement local susceptible de provoquer des fissures d'origine thermomécanique. La présente invention vise à la fois à protéger les parois latérales, et à mieux diriger le flux des gaz vers la 25 volute de la turbine basse pression. Dans ce but, elle prévoit de placer autour de la soupape deux déflecteurs latéraux, limitant la projection de gaz sur les parois latérales de la section aval du conduit, lorsqu'elle est entrouverte. 30 Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les déflecteurs latéraux sont solidaires de la soupape. - 3 - Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, les déflecteurs sont solidaires du siège de soupape. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non 5 limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1A, 1B et 1C illustrent le fonctionnement de la soupape connue, dans une dérivation de turbocompresseur, 10 - les figures 2A, 2B, 2C montrent la localisation des fissures observées, - les figures 3A et 3B illustrent un premier mode de réalisation de l'invention, les figures 4A et 4B en montrent deux variantes, et 15 la figure 5 montre un deuxième mode de réalisation. Sur les trois premières figures, on a représenté en coupe une turbine de turbocompresseur haute pression 1 avec sa bride d'accrochage 2 au collecteur d'échappement (ou directement au moteur si comme ici le collecteur est intégré), 20 et son conduit de dérivation 3 en direction d'une turbine de turbocompresseur à basse pression 4. Le siège de soupape 6 est placé à l'extrémité de sortie du conduit de dérivation. Il est fixé entre les deux carters de turbo la, 4a. La soupape contrôle l'écoulement de gaz d'échappement entre les deux 25 sections de conduit d'écoulement 3 (conduit de dérivation) et 4b (entrée du turbocompresseur basse pression). Elle comporte un siège de soupape 6 fixe, maintenu en extrémité de la première section de conduit 3, et un clapet 7 pivotant entre une position de fermeture à une extrémité où il est en appui 30 sur le siège de soupape 6, de manière à obturer le passage de la première section de conduit 3 à la deuxième section de conduit 4b, et une position d'ouverture à l'autre - 4 - extrémité, où il libère le passage du gaz entre les deux sections de conduit 3 et 4b, en s'écartant progressivement du siège 6. Sur la figure 1A, le clapet 7 de la soupape est rabattu 5 contre le siège 6. La soupape est fermée, les gaz transitent en totalité par la turbine haute pression 1. Cette position est normalement utilisée aux faibles régimes (par exemple jusqu'à 1750 tours par minute) Sur la figure 1B, le clapet 7 est légèrement décollé du siège. La soupape est entrouverte, 10 (par exemple autour de 2700 tours par minute). Seule une partie des gaz emprunte la dérivation. Enfin, sur la figure 1C, la soupape est grande ouverte. Les gaz évitent le turbo à haute pression 1, pour passer directement au turbo basse pression 4. 15 Les projections latérales de gaz à forte vitesse sur les parois du carter de turbo basse pression 4a sont à l'origine de fissures thermomécaniques 5, mises en évidence sur la figure 2A et sur les figures 2B et 2C, qui sont respectivement des coupes selon A et B de la figure 1B (position 20 entrouverte). On note la présence de l'axe d'actionnement 7a du clapet, visible sur la figure 2C. Sur les figures 3A et 3B, on retrouve un siège de soupape tubulaire 6, pouvant être engagé à l'extrémité du conduit de dérivation 3 de la figure 1. Le clapet pivotant 7 25 est représenté avec son axe d'actionnement 7a. Il est désormais pourvu de déflecteurs latéraux 8, qui limitent la projection de gaz sur les parois latérales de la deuxième section par les bords latéraux du clapet lorsque le clapet 7 commence à s'écarter du siège de la soupape 6. Les gaz chauds 30 en provenance du collecteur d'échappement passent entre le siège de la soupape 6 et le clapet 7. Mais les déflecteurs latéraux 8 protègent les parois latérales du conduit 4b, et - 5 - dirigent l'écoulement dans l'axe du conduit. Ils forcent les gaz à sortir « vers l'avant » pour ensuite plonger dans la volute de la turbine basse pression. Grâce aux déflecteurs, les projections latérales de gaz sur les parois 4a du conduit (carter de turbine aval) sont supprimées, et les fissures provoquées antérieurement par ces projections à haute vitesse, de gaz encore très chaud, sont évitées, car ils font obstacle au passage des gaz par les côtés, quand la soupape s'ouvre. Dans un premier mode de réalisation, les déflecteurs latéraux sont solidaires du clapet (soupape 6). Ils peuvent être réalisés dans la même matière que la soupape. Conformément aux figures 3A et 3B, les déflecteurs 8 viennent se loger à l'extérieur du siège de soupape 6. Sur la variante de la figure 4A, les déflecteurs coulissent au contraire à l'intérieur du siège de soupape. Dans celle de la figure 4B, ils se présentent sous la forme de rebords latéraux recouvrant les extrémités latérales du clapet et l'extrémité du siège de soupape. Dans un deuxième mode de réalisation, de l'invention, les déflecteurs sont solidaires du siège de soupape. Dans l'exemple non limitatif illustré par la figure 5, on réalise simplement un usinage en biais sur le siège de soupape. Les déflecteurs sont constitués par la partie 6a du siège de soupape 6, usinée en biais. En position de fermeture, le clapet vient se poser « dans » le siège, sur la face d'usinage 6a. Les déflecteurs peuvent être constitués par le siège de soupape lui-même, ou par une partie de celui-ci. La présente invention peut s'appliquer à tout dispositif système de soupape dans un environnement thermomécanique 30 sévère. Dans le domaine des turbocompresseurs, elle peut équiper tous les turbos à soupape de décharge du type « waste- - 6 - gate », notamment à géométrie fixe, ainsi que les moteurs utilisant un montage de deux turbocompresseurs, ou davantage. REVENDICATIONS1. Soupape de décharge de turbocompresseur contrôlant l'écoulement de gaz d'échappement entre une première et une 5 deuxième section (3, 4b) de conduit d'écoulement comportant un siège de soupape fixe (6) maintenu en extrémité de la première section de conduit (3) et un clapet (7) pivotant entre une position de fermeture où il est en appui sur le siège de soupape de manière à obturer le passage de la première à la 10 deuxième section de conduit, et une position d'ouverture où il libère le passage du gaz entre les deux sections de conduit (3, 4b) en s'écartant progressivement du siège (6), caractérisée en ce qu'elle présente des déflecteurs latéraux (8), limitant la projection de gaz sur les parois latérales de 15 la deuxième section par les bords latéraux du clapet (7), lorsque celui-ci commence à s'écarter du siège de la soupape (6). 2. Soupape de décharge selon la revendication 1, caractérisée en ce que les déflecteurs latéraux (8) sont 20 solidaires du clapet (7). 3. Soupape de décharge selon la revendication 2, caractérisée en ce que les déflecteurs(8) viennent se loger à l'extérieur du siège de soupape (6) en position de fermeture. 4. Soupape de décharge selon la revendication 2, 25 caractérisée en ce que les déflecteurs (8) coulissent l'intérieur du siège de soupape (6). 5. Soupape de décharge selon la revendication 2, caractérisée en ce que les déflecteurs (8) se présentent sous la forme de rebords latéraux recouvrant les extrémités 30 latérales du clapet et l'extrémité du siège de soupape.- 8 - 6. Soupape de décharge selon la revendication 1, caractérisée en ce que les déflecteurs sont constitués par le siège (6) de la soupape. 7. Soupape de décharge selon la revendication 6, 5 caractérisée en ce que les déflecteurs sont constitués par une partie (6a) du siège de soupape (6) usinée en biais. 8. Soupape de décharge selon la revendication 7, caractérisée en ce que le clapet vient se poser sur la face d'usinage (6a) du siège, en position de fermeture. 10