Brevet FR3006738A1 — publié le 20141212

SOUPAPE DE DECHARGE EQUIPANT UN TURBOCOMPRESSEUR. [0001] L'invention porte sur une soupape de décharge du type destinée à équiper un turbocompresseur équipant un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, la soupape de décharge comprenant une tête de soupape portée par une tige de soupape, la tige de soupape étant associée à un organe de rappel et une membrane. [0002] Le document US2012/0055154 décrit un véhicule automobile qui est pourvu d'un moteur à combustion interne équipé d'un turbocompresseur. Ce dernier est pourvu d'une soupape de décharge qui dévie des gaz d'échappement, produits par le moteur à combustion interne, d'une roue d'une turbine vers le moteur à combustion interne. La dérivation des gaz d'échappement permet de réguler une vitesse de rotation de la turbine, ce qui en conséquence régule une vitesse de rotation d'une roue d'un compresseur. Cette dernière est destinée à mettre sous pression un air à l'admission du moteur à combustion interne. [0003] La soupape de décharge comprend un levier qui est équipé d'un volet permettant ou interdisant un passage des gaz d'échappement. Le levier est monté mobile en rotation sur un axe de pivotement de la soupape de décharge. [0004] Un problème général posé dans le domaine réside en des nuisances vibratoires et/ou sonores que génère la soupape de décharge. De telles nuisances sont susceptibles de perturber le fonctionnement d'appareils équipant le véhicule automobile et de déranger un utilisateur du véhicule automobile. [0005] La soupape de décharge décrite dans le document US2012/0055154 est équipée d'un ressort pour réduire un jeu entre le volet et le levier. Ces dispositions s'avèrent insuffisantes pour réduire suffisamment les nuisances vibratoires et/ou sonores générées par la soupape de décharge. [0006] Un but de la présente invention est de proposer une soupape de décharge destinée à équiper un turbocompresseur dont est pourvu un moteur à combustion interne équipant un véhicule automobile, la soupape de décharge étant apte à dissiper des nuisances sonores et/ou vibratoires, une telle soupape de décharge étant simple, fiable, peu couteuse, légère et peu encombrante. [0007] Une soupape de la présente invention est une soupape de décharge destinée à équiper un turbocompresseur équipant un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. La soupape de décharge comprend une tête de soupape portée par une tige de soupape. La tige de soupape est associée à un organe de rappel et une membrane. [0008] Selon la présente invention, la tige de soupape est équipée d'au moins un batteur de vibrations. [0009] Le batteur de vibrations comprend avantageusement au moins une enveloppe externe réalisée en un premier matériau et au moins une enveloppe interne réalisée en un deuxième matériau. [0010] De préférence, le premier matériau est formé d'un matériau métallique tandis que le deuxième matériau est formé d'un matériau viscoélastique. [0011] Selon une variante de réalisation, l'enveloppe interne comprend une pluralité d'enveloppes élémentaires disjointes les unes des autres. [0012] L'enveloppe externe est par exemple d'une hauteur qui est supérieure à une hauteur de l'enveloppe interne. [0013] Le batteur de vibrations comprend par exemple un fourreau logeant l'enveloppe externe et l'enveloppe interne, le fourreau étant interposé entre deux joints toriques rapportés sur la tige de soupape. [0014] Le batteur de vibrations équipe avantageusement une portion de tige de la tige de soupape qui émerge hors d'un boîtier logeant l'organe de rappel et la membrane. [0015] Un turbocompresseur de la présente invention est principalement reconnaissable en ce qu'il est équipé d'une telle soupape de décharge. [0016] Un moteur à combustion interne de la présente invention est principalement reconnaissable en ce que le moteur à combustion interne est équipé d'un tel turbocompresseur. [0017] Un véhicule automobile de la présente invention est principalement reconnaissable en ce que le véhicule automobile est équipé d'un tel moteur à combustion interne. [0018] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va en être faite d'exemples de réalisation en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles : [0019] La figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne pourvu d'un turbocompresseur de la présente invention. [0020] La figure 2 est une vue en coupe d'un batteur de vibrations équipant une soupape de décharge que comprend le turbocompresseur représenté sur la figure précédente. [0021] La figure 3 est une vue schématique d'un comportement mécanique du batteur de vibrations illustré sur la figure 2. [0022] La figure 4 est une vue schématique de résultats obtenus à partir de la mise en oeuvre du batteur de vibrations représenté sur les figures précédentes. [0023] La figure 5 est une vue schématique d'un comportement viscoélastique d'une soupape de décharge de la présente invention pourvue d'un batteur de vibrations représenté sur les figures précédentes. [0024] Les figures 6a, 6b et 6c sont des vues schématiques en coupe de variantes respectives de réalisation du batteur de vibration représenté sur les figures précédentes. [0025] Les figures 7 et 8 sont des vues schématiques représentant un comportement viscoélastique de variantes de réalisation du batteur de vibrations représenté sur les figures précédentes. [0026] Sur la figure 1, un véhicule automobile pourvu d'un moteur à combustion interne 1 est équipé d'un turbocompresseur 2. Le moteur à combustion interne 1 est alimenté en air par l'intermédiaire d'une ligne d'arrivée d'air 3. Le moteur à combustion interne 1 produit des gaz d'échappement qui sont évacués hors du véhicule automobile par l'intermédiaire d'une ligne d'échappement 4. Le turbocompresseur 2 comprend une roue de turbine 5 qui est logée à l'intérieur de la ligne d'échappement 4 et une roue de compresseur 6 qui est logée à l'intérieur de la ligne d'arrivée d'air 3. La roue de turbine 5 et la roue de compresseur 6 sont reliées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un axe de turbocompresseur 7, de telle sorte qu'une mise en rotation de la roue de turbine 5 par les gaz d'échappement entraine une mise en rotation de la roue de compresseur 6. Ces dispositions permettent d'alimenter le moteur à combustion interne 1 en un air comprimé. [0027] Le turbocompresseur 2 est pourvu d'une soupape de décharge 8 qui est apte à évacuer un surplus de pression à l'intérieur de la ligne d'échappement 4, pour éviter une détérioration du turbocompresseur 2 à haut régime. La soupape de décharge 8 comprend une tête de soupape 9 qui obture un orifice de décharge 10 ménagé à travers la ligne d'échappement 4 entre le moteur à combustion interne 1 et la roue de la turbine 5. La soupape de décharge 8 comprend une tige de soupape 11 qui supporte la tête de soupape 9. La soupape de décharge 8 comprend un boîtier 12 qui loge au moins partiellement la tige de soupape 11. Le boîtier 12 délimite un canal de circulation 13 d'un air en provenance de la ligne d'arrivée d'air 3. Le boîtier 12 délimite aussi une chambre 14 de réception d'un organe de rappel 15, tel qu'un ressort ou analogue. Le canal de circulation 13 et la chambre 14 sont séparés l'un de l'autre par l'intermédiaire d'une membrane 16. La membrane 16 est flexible pour être à même de se déformer en fonction d'une pression d'air régnant à l'intérieur du canal de circulation 13. L'organe de rappel 15 s'étend entre la membrane 16 et une paroi de réaction 17 qui est ménagée en vis-à-vis de la membrane 16. La tige de soupape 11 est solidaire de la membrane 16, de telle sorte que la position de la tige de soupape 11 est fonction d'un équilibre entre une force de pression exercée par l'air présente à l'intérieur du canal de circulation 13 et une force de rappel exercée par l'organe de rappel 15 sur la membrane 16. La position de la tige de soupape 11 détermine la position de la tête de soupape 9 pour permettre ou interdire un passage des gaz d'échappement à travers l'orifice de décharge 10. [0028] La tige de soupape 11 comporte une portion de tige 18 qui émerge hors du boîtier 12. Selon la présente invention, la portion de tige 18 est pourvue d'au moins un batteur de vibrations 19 qui est apte à réduire des vibrations générées par le turbocompresseur 2. Autrement dit, le batteur de vibrations 19 est à même de réduire un bruit rayonné par le turbocompresseur 2. [0029] Sur la figure 2, le batteur de vibrations 19 est conformé en une bague annulaire d'axe de révolution A2 qui est confondu avec un axe d'allongement Al de la tige de soupape 11. Le batteur de vibrations 19 enveloppe partiellement la tige de soupape 11 en étant enfilé sur cette dernière. De manière préférentielle, le batteur de vibrations 19 comporte au moins une enveloppe interne 21 qui est en contact avec la tige de soupape 11 et au moins une enveloppe externe 20 qui entoure l'enveloppe interne 21. L'enveloppe interne 21 est assimilable par son comportement dynamique à un ressort de raideur complexe. L'enveloppe externe 20 est assimilable par son comportement dynamique à une masse. [0030] Préférentiellement, l'enveloppe externe 20 est constituée d'un premier matériau qui possède une masse volumique adaptée à la mise au point du batteur de vibrations 19, une tenue à la température qui est adaptée aux conditions de vie du turbocompresseur 2 et présente la propriété de pouvoir être mis en adhérence sur l'enveloppe interne 21. L'enveloppe externe 20 est par exemple réalisée en un matériau métallique du type acier, aluminium ou analogue. [0031] Préférentiellement, l'enveloppe interne 21 est constituée d'un deuxième matériau comportant une rigidité en cisaillement adaptée à la mise au point du batteur de vibrations 19, une tenue à la température qui est adaptée aux conditions de vie du turbocompresseur 2. Le deuxième matériau possède préférentiellement un coefficient d'amortissement en cisaillement qui est le plus élevé possible, afin de dissiper une énergie vibratoire générée par le turbocompresseur 2 et amortir les vibrations générées par ce dernier. Préférentiellement, le deuxième matériau est formé de plusieurs matériaux élémentaires de caractéristiques viscoélastiques distinctes pour offrir une gamme de comportement viscoélastique la plus variée possible. [0032] Ces dispositions sont telles que le batteur de vibrations 19 agit comme un batteur axial à un degré de liberté de la vibration à absorber et se comporte comme un amortisseur vibratoire appliqué sur une périphérie circulaire de la tige de soupape 11. Le batteur de vibrations 19 forme ainsi un batteur axisymétrique annulaire qui est modélisable comme représenté sur la figure 3. Sur cette figure, la tige de soupape 11 et le batteur de vibrations 19 se comportent respectivement comme deux éléments viscoélastiques distincts, dont un premier élément 22 symbolisant la tige de soupape 11 et un deuxième élément 23 symbolisant le batteur de vibrations 19. Le premier élément 21 comporte une première masse M et une première raideur K qui correspond à celle de l'organe de rappel 15. Le deuxième élément 23 comporte une deuxième masse m, une deuxième raideur k et un amortissement n. [0033] La tige de soupape 11 présentant une première pulsation propre Q0 et le batteur de vibrations 19 présentant une deuxième pulsation propre wo et un rapport de masse .0 du batteur de vibrations 19 avec la tige de soupape 11, un rapport d'amplitude Za/Z, de la vibration à la pulsation w pour une excitation F = Fo.sin(wt) est donné par la relation : [0034] [0035] Il est remarquable que le rapport d'amplitude Za/Z, est une fonction de l'amortissement n du batteur de vibrations 19. Un effet initial de résonnance d'un ensemble formé par la tige de soupape 11 et le batteur de vibrations 19 suspendu à la pulsation propre Q0 est considérablement limité, une surtension ne dépassant pas la valeur « 4 » si l'amortissement n est supérieur ou égal à 0,4 sans charger un filtrage au- delà d'une fréquence de coupure (, c). Une sensibilité du résultat aux différents paramètres du batteur de vibrations 19 est telle qu'une approche systématique d'optimisation est nécessaire pour chaque architecture spécifique du turbocompresseur 2. Un rapport de masse j compris entre 0,15 et 0,25 conduit à de très bonnes performances d'atténuation vibratoire. Il est souhaitable de choisir la deuxième pulsation propre wo du batteur de vibrations 19 en fonction de la première pulsation propre Q0 la plus pénalisante pour le bruit, notamment une pulsation qui correspond aux pulsations de gaz d'échappement dans un turbocompresseur 2, de type double volute (désigné par Twin- scroll en anglais), comportant deux volutes qui viennent exciter la soupape de décharge 8 à certains régimes moteur. Un tel choix revient à satisfaire la relation : [0036] soit k = [0037] La figure 4 présente les résultats obtenus pour un tel cas dans lequel le rapport de masse j vaut 0,25 selon plusieurs valeurs de l'amortissement n. Lorsque l'amortissement n est infini, le batteur de vibrations 19 ne fonctionne plus, et le pic de vibrations est abaissé en fréquence du fait de l'ajout de la deuxième masse m. Lorsque le batteur de vibrations 19 ne présente aucun amortissement D, la vibration devient nulle à la deuxième pulsation propre wo, soit dans l'exemple illustré à 0,8 mais il en résulte un remplacement du pic de vibrations par deux résonnances respectivement en deçà et au- delà de la fréquence initiale. Il en résulte finalement qu'il existe un optimum de l'amortissement n du batteur de vibrations 19, de l'ordre de 0,4 sur l'exemple illustré, offrant la meilleure réduction des nuisances. [0038] Dans le cas où le batteur de vibrations 19 n'aurait pas d'amortissement n, le batteur de vibrations 19 serait réductible à un système masse-ressort simple, tel qu'illustré sur la figure 5. Un tel batteur de vibrations 19, fixé sur la tige de soupape 11 constitue un ïl 1 système masse-ressort, dont la fréquence propre -Wn est à caler sur la fréquence de 27c vibration pénalisante pour le bruit généré par le turbocompresseur 2. Le principe du batteur de vibrations 19 axial à un degré de liberté permet d'annuler le déplacement d'une structure, en résonance ou en réponse forcée, à une fréquence donnée. [0039] Soit un système de masse M et de raideur K, décrit sur la figure 5, soumis à un effort F(co)=Fo.sin(cut). Ce système est caractérisé par une fréquence propre 1 -Vicim =,,. Le dimensionnement du batteur de vibrations 19 consiste à choisir m et k 2;1- 2;1- permettant d'annuler le déplacement z1, pour une fréquence w0/2n choisie (en général wo=no). Les équations du mouvement ïi(co) de ce système s'écrivent ( K + k - V( zi(co) = sous la forme [0040] (m e( + ( F(co) : [0041] \0 iniï2,(co)) -k k ,z2,(co)) 0 i [0042] En recherchant z1 et z2 sous la forme z, = Z,. sin(co.t) . Il vient alors : (Zi Fo ( k - co2ni [0043] (K + k - co2M)(k - co2m)- k2 Z2) k , [0044] Il suffit donc, pour annuler le déplacement u1 à la fréquence w0/21-r sur ce système simple, de choisir m et k tels que : [0045]1.'/77/ = (00 [0046] Ainsi, pour la soupape de décharge 8 de la présente invention, il convient de caler la valeur de 1/21-cWn sur la fréquence de vibration de la tige de soupape 11 qui subit le rayonnement vibratoire du turbocompresseur 2. [0047] Il en résulte finalement que le batteur de vibrations 19 est adapté à partir d'un choix optimisé de la deuxième masse m de l'enveloppe externe 20, ainsi que de la deuxième raideur k et de de l'amortissement n de l'enveloppe interne 21. Plus particulièrement, l'enveloppe interne 21 est réalisée en un matériau dont une zine de transition viscoélastique est située au voisinage d'une bande de fréquences à traiter. Le batteur de vibrations 19 est également adapté à partir d'un choix approprié d'une épaisseur E de l'enveloppe interne 21. Le batteur de vibrations 19 est encore adapté à partir d'un choix approprié d'une distance D comprise entre la tête de soupape 9 et le batteur de vibrations 19. [0048] A titre d'exemple sur la figure 6a et la figure 6b, le batteur de vibrations 19 est susceptible d'être composé d'un fourreau 24, préférentiellement cylindrique et bordé par deux joints toriques 25 pour son maintien en position, l'enveloppe externe 20 étant logée à l'intérieur du fourreau 24 et l'enveloppe interne 21 étant interposée entre la tige de soupape 11 et l'enveloppe externe 20. Sur la figure 6b, l'enveloppe interne 21 est formée de plusieurs enveloppes élémentaires 21' disjointes les unes des autres. Sur la figure 6c, l'enveloppe interne 21 et l'enveloppe externe 20 comportent des hauteurs respectives H,H' distinctes. [0049] L'enveloppe interne 21 est constituée indifféremment de l'un quelconque au moins d'un ressort hélicoïdal, d'une rondelle de Belleville, d'un ressort cylindrique réalisé en un matériau élastomère et/ou d'un élément de rappel analogue, qui sont susceptibles d'être associés en série ou en parallèle. [0050] Dans le cas où plusieurs modes propres de vibration sont identifiés à des fréquences différentes, la tige de soupape 11 est susceptible d'être équipée d'une pluralité de batteur de vibrations 19 tels qu'illustré sur la figure 7 et la figure 8. [0051] Sur la figure 7, le batteur de vibrations 19 est un batteur double comprenant une bague fixe 26 solidaire de la tige de soupape 11, deux bagues mobiles 27,27' de masse respectives Mi,M2 réparties de part et d'autre de la bague fixe 26. Chaque bague mobile 27,27' est reliée à la bague fixe 26 par l'intermédiaire d'un moyen de rappel respectif 28,28' de raideur respective Ki,K2. [0052] Sur la figure 8, le batteur de vibrations 19 est un batteur quadruple comprenant une bague fixe 26 solidaire de la tige de soupape 11, quatre bagues mobiles 27,27',27",27- de masse respectives M1,-M2,-M3,-M4 réparties de part et d'autre de la bague - fixe 26. Chaque bague mobile 27,27',27",27- est reliée à la bague fixe 26 par l'intermédiaire d'un moyen de rappel respectif 28,28',28",28- de raideur respective K1,K2,K3,K4. REVENDICATIONS1. Soupape de décharge (8) destinée à équiper un turbocompresseur (2) équipant un moteur à combustion interne (1) d'un véhicule automobile, la soupape de décharge (8) comprenant une tête de soupape (9) portée par une tige de soupape (11), la tige de soupape (11) étant associée à un organe de rappel (15) et une membrane (16), caractérisée en ce que la tige de soupape (11) est équipée d'au moins un batteur de vibrations (19). 2. Soupape de décharge (8) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le batteur de vibrations (19) comprend au moins une enveloppe externe (20) réalisée en un premier matériau et au moins une enveloppe interne (21) réalisée en un deuxième matériau. 3. Soupape de décharge (8) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le premier matériau est formé d'un matériau métallique tandis que le deuxième matériau est formé d'un matériau viscoélastique. 4. Soupape de décharge (8) selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce que l'enveloppe interne (21) comprend une pluralité d'enveloppes élémentaires (21') disjointes les unes des autres. 5. Soupape de décharge (8) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que l'enveloppe externe (20) est d'une hauteur (H) qui est supérieure à une hauteur (H') de l'enveloppe interne (21). 6. Soupape de décharge (8) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que le batteur de vibrations (11) comprend un fourreau (24) logeant l'enveloppe externe (20) et l'enveloppe interne (21), le fourreau (24) étant interposé entre deux joints toriques (25) rapportés sur la tige de soupape (11). 7. Soupape de décharge (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le batteur de vibrations (19) équipe une portion de tige (18) de la tige de soupape (11) qui émerge hors d'un boîtier (12) logeant l'organe de rappel (15) et la membrane (16). 8. Turbocompresseur (2) équipé d'une soupape de décharge (8) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Moteur à combustion interne (1) équipé d'un turbocompresseur (2) selon la revendication 8. 10. Véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne (1) selon la revendication 9.