Brevet FR2998616A1 — publié le 20140530

SOUPAPE DE REGULATION D'UN SYSTEME DE SURALIMENTATION PAR TURBOCOMPRESSEUR [0001] L'invention porte sur le domaine des moteurs suralimentés par turbocompresseur. [0002] Dans un tel moteur, muni d'un ou de plusieurs turbocompresseurs, le turbocompresseur a pour objectif de comprimer l'air à l'admission du moteur. Le turbocompresseur comporte à cette fin un compresseur à l'admission d'air du moteur qui est entrainé par une turbine à l'échappement du moteur. La turbine est mise en rotation par les gaz d'échappement. [0003] En l'absence d'autres dispositifs, notamment dans le cadre d'un turbocompresseur à géométrie fixe, la pression de suralimentation du moteur pourrait dépasser le maximum admissible, et être fréquemment inadaptée au besoin de l'utilisateur, par exemple du conducteur si on considère une application automobile du moteur. [0004] Il convient donc, de doter le système de suralimentation d'un moyen de régulation, permettant d'adapter en permanence la pression de suralimentation au besoin. Pour cela, le système est doté, de manière connue, d'une soupape de régulation généralement désignée par le terme anglophone « wastegate ». La soupape de régulation permet, lorsque la pression de suralimentation est trop élevée, de dérivée une part des gaz d'échappement autour de la turbine du turbocompresseur, ce qui en réduit l'entrainement et limite donc directement l'entrainement du compresseur, donc la pression de suralimentation. [0005] Afin d'obtenir un pilotage fin, et surtout qui ne génère pas de réaction brutale ou d'à-coup, il convient de s'assurer une progressivité du flux des gaz d'échappement traversant la soupape, au fur et à mesure de son ouverture. La soupape de décharge ayant couramment la forme d'un simple clapet, plat, obturant une ouverture du conduit d'échappement, cette progressivité peut se révéler difficile à obtenir. [0006] Différents dispositifs ont été proposés dans l'état de la technique afin de tenter de résoudre ce problème. [0007] On connaît par exemple au travers du document US2011173974 une vanne de régulation de turbocompresseur de forme particulière, présentant un élément en saillie dans le conduit d'échappement, ledit élément étant de révolution et présentant une hauteur au moins supérieure à la moitié du diamètre de sa base. [0008] Le document ep2444626 présente également diverses géométries de vannes de régulation de turbocompresseur, qui pénètrent dans le conduit d'échappement obturé, et qui visent à assurer une certaine progressivité de l'ouverture. [0009] Néanmoins, ces solutions, basées sur une progressivité du flux créée par l'évolution de la section de passage entre les faces d'un élément en saillie pénétrant dans le conduit d'échappement et des bords du conduit formés autour de cet élément, ne constituent pas une solution unique idéale. Typiquement, ce type de solution dégrade la perméabilité du conduit à la pleine ouverture de la soupape, ce qui a un impact négatif sur la consommation de carburant du moteur. Par ailleurs, les possibilités d'adapter la progressivité d'ouverture pour répondre aux contraintes d'une application données (typiquement, un moteur équipant un modèle donné de véhicule), sont très limitées, ne serait-ce que parce qu'un jeu fonctionnel minimum, entre l'élément en saillie sur la soupape et les parois de l'orifice à obturer, est nécessaire au bon fonctionnement de la soupape de régulation. [0010] Le but de l'invention est de proposer une technologie alternative de vanne de régulation de turbocompresseur, présentant une progressivité d'ouverture pouvant être facilement obtenue industriellement sans dispersion, qui soit facilement modifiable pour s'adapter à telle ou telle application, la progressivité d'ouverture étant obtenue par la mise en oeuvre d'un principe d'ouverture différent de ce qui est connu dans l'état de la technique des vannes de régulation de turbocompresseur. [0011] Plus précisément, l'invention porte donc sur une soupape de régulation pour système de suralimentation par turbocompresseur d'un moteur à combustion, destinée à ouvrir ou obturer un conduit de dérivation autour d'une turbine d'un turbocompresseur, comportant une portée de soupape et un élément en saillie au-delà de la portée de soupape destiné à pénétrer à l'intérieur du conduit de dérivation lorsque la soupape l'obture, dans laquelle l'élément en saillie présente une forme générale concave, dont la concavité présente en outre une ouverture dite latérale, arrangée de sorte à être progressivement découverte à l'extérieur du conduit lors de l'ouverture la soupape. Lors de l'ouverture de la soupape, l'ouverture latérale est progressivement découverte, permettant l'évacuation latérale des gaz par la section de passage ainsi libérée. [0012] De préférence, la portée de soupape définissant un plan de portée de soupape, l'ouverture latérale (14) débouche parallèlement au plan de portée de soupape. [0013] Dans une variante de l'invention, l'ouverture latérale est en forme de segment circulaire, et préférentiellement en forme de demi-cercle. Cette géométrie permet un paramétrage aisé de la variation de section de passage découverte au fur et à mesure de l'ouverture de la soupape, afin d'en régler la progressivité. [0014] De préférence, la concavité est de forme demi-cylindrique débouchant perpendiculairement au siège de soupape. La concavité ainsi formée limite les perturbations du flux gazeux, et est simple à obtenir, de fonderie ou par usinage par exemple. [0015] Dans une variante de l'invention, l'élément en saillie présente une forme extérieure générale sensiblement tronconique, forme dans laquelle est ménagée la concavité. [0016] De préférence, la soupape est conformée pour s'ouvrir et se fermer par basculement autour d'un axe parallèle au siège de soupape. C'est une configuration compatible de l'invention, permettant de limiter les efforts d'ouverture et de fermeture de la 15 soupape. [0017] De préférence, la concavité de l'élément en saillie débouche, par son ouverture latérale, perpendiculairement à l'axe de basculement de la soupape. En débouchant ainsi, de préférence à l'opposé de l'axe de basculement, l'ouverture latérale est découverte progressivement lors du basculement de la soupape, qui se traduit pour les faibles 20 ouvertures essentiellement par une translation hors de l'orifice de la zone de la soupape portant l'ouverture latérale. [0018] De préférence, l'élément en saillie présente une hauteur, mesurée orthogonalement à la portée de soupape, décroissante en s'éloignant de l'axe de basculement de la soupape. Dans une variante de l'invention dans laquelle la portée de 25 soupape définit sensiblement un disque, l'élément en saillie est décentré de ce disque en direction de l'axe de basculement de la soupape. Cela limite les risques d'interférence mécanique de la soupape à l'opposé de l'axe de basculement avec le siège de soupape, tout en limitant la sortie des gaz par le côté de la soupape proche de l'axe de basculement, ce qui augmente l'efficacité de l'ouverture latérale à assurer une 30 progressivité dans l'établissement du flux gazeux à l'ouverture de la soupape. [0019] L'invention porte également sur un système de suralimentation par turbocompresseur d'un moteur à combustion, comportant une soupape de régulation de turbocompresseur conforme à l'une des revendications précédentes pouvant ouvrir ou obturer un orifice d'entrée d'un conduit de dérivation autour d'une turbine du turbocompresseur, orifice comportant un siège de soupape adapté à la portée de soupape. [0020] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0021] La figure 1 présente selon une vue schématique en trois dimensions une soupape de régulation, conforme à une variante préférentielle de l'invention. [0022] La figure 2 présente selon une vue schématique en trois dimensions une soupape conforme à une variante préférentielle de l'invention et son environnement dans un système de suralimentation d'un moteur à combustion. [0023] La figure 3 présente schématiquement en coupe une soupape conforme à une variante préférentielle de l'invention, dans son environnement, en position de faible ouverture. [0024] La figure 4 présente schématiquement en coupe une soupape conforme à une variante préférentielle de l'invention, dans son environnement, en position d'ouverture partielle. [0025] La figure 5 présente schématiquement en coupe une soupape conforme à une variante préférentielle de l'invention, dans son environnement, en position d'ouverture totale. [0026] La figure 1 présente selon une vue schématique en trois dimensions une soupape de régulation, conforme à une variante préférentielle de l'invention. [0027] La soupape 1 comporte un clapet, qui présente une portée de soupape 11 et un élément en saillie 12. L'élément en saillie 12 s'étend au-delà de la portée de soupape 11, de sorte à dépasser vers l'intérieur de l'orifice destiné à être obstrué par la soupape, lorsque cette dernière est en position dite fermée. Dans l'invention, l'élément en saillie présente la particularité de présenter une forme générale concave. La concavité 13 de l'élément en saillie 12 débouche parallèlement à un plan formé par la portée de soupape 11, par une ouverture dite latérale 14. L'ouverture est dite latérale car elle permet le passage (entrée ou sortie) latéral d'un fluide par rapport à la direction principale de l'orifice (axe de percement, ou direction orthogonale à un plan formé par l'orifice) que la soupape obstrue, lorsque cette dernière commence à s'ouvrir. L'ouverture latérale 14 peut présenter dans l'invention diverses formes. [0028] Une des formes préférentielles de l'ouverture latérale, telle qu'ici représentée, est une forme en segment circulaire, dont nous rappelons la définition géométrique : un segment circulaire est une partie d'un disque obtenu par le tracé d'une corde de ce disque. Préférentiellement, le segment circulaire formé par l'ouverture latérale est défini par un demi-cercle. [0029] La concavité 13 formée dans l'élément en saillie 12 peut ainsi être formée d'un canal dans le prolongement de l'ouverture latérale 14, ledit canal étant typiquement de forme sensiblement demi-cylindrique, dans le prolongement de l'ouverture latérale 14. [0030] Dans l'exemple ici représenté, la soupape 1 comporte un axe 15, permettant de guider la soupape dans un mouvement de basculement permettant son ouverture et sa fermeture. [0031] On a représenté schématiquement en figure 2 une soupape 1 conforme à une variante préférentielle de l'invention et son environnement dans un système de suralimentation d'un moteur à combustion. La soupape 1 est agencée de sorte à pouvoir ouvrir ou obstruer un orifice 21, qui marque l'entrée d'un conduit de dérivation 2 autour de la turbine d'un turbocompresseur. Autour de l'orifice 21 est ménagé un siège 22 de soupape, adapté à la portée de soupape 11. Lorsque la soupape est fermée, en position d'obturation, la portée de soupape 11 est en appui sur le siège 22, ce qui obture l'orifice 21 hermétiquement, c'est-à-dire avec l'étanchéité requise pour assurer la fonction d'obturation du circuit de dérivation d'une turbine de turbocompresseur. Avantageusement, la portée de soupape 11 peut présenter une forme arrondie, par exemple en quart de tore, ou avantageusement selon une tranche de sphère, ce qui limite les risques d'interférence lors de l'ouverture de la soupape, notamment si le siège 22 est tronconique. La portée de soupape 11 peut ainsi présenter vis-à-vis du siège 22 de soupape un contact linéique sphère-cône, mécaniquement avantageux. [0032] L'ouverture latérale 14 étant positionnée, dans l'exemple ici représenté, à l'opposé de l'axe de basculement, elle sera découverte progressivement lors de l'ouverture par basculement de la soupape 1. Ce phénomène permet une variation progressive de la surface de passage lors de l'ouverture de la soupape 1, et permet donc une progressivité dans l'établissement du flux gazeux traversant. [0033] L'ouverture progressive, au moins dans le début de la phase d'ouverture de la soupape 1, repose sur un principe analogue à celui employé dans les carburateurs, qui comportent un boisseau ayant une géométrie permettant de découvrir une section de passage progressive. [0034] Ainsi, la forme de l'ouverture latérale 14 peut être adaptée afin de conférer la progressivité souhaitée à l'ouverture de la soupape. Dans le cadre d'une ouverture en segment circulaire, on peut typiquement jouer sur le rayon et la hauteur de l'ouverture latérale. Dans le cadre d'une ouverture triangulaire, par exemple en forme triangle isocèle, on peut jouer sur la hauteur du triangle, et sur l'angle d'ouverture pour faire croitre plus ou moins rapidement la section découverte de l'ouverture latérale 14. Le même principe est applicable à une ouverture en forme de trapèze. [0035] L'élément en saillie 12 s'étend au-delà du siège de soupape 11. Ainsi, l'élément en saillie 12 est positionné vers l'intérieur du conduit de dérivation 2 lorsque la soupape est en position fermée d'obturation du de l'orifice 21. Il est important de conférer à l'élément en saillie 12 une forme permettant l'ouverture et la fermeture de la soupape 1, sans interférence mécanique de l'élément en saillie 12 avec le conduit 2 et notamment avec le siège 22 de soupape, tout en garantissant un jeu minimum entre la soupape et les parois l'entourant, de sorte que l'ouverture latérale 14 puisse assurer la fonction de progressivité de l'ouverture. [0036] L'élément en saillie peut notamment présenter une forme extérieure générale, c'est-à-dire une géométrie externe en faisant abstraction de la concavité 13, sensiblement cylindrique ou tronconique. [0037] La forme cylindrique est facilement industrialisable, et est particulièrement adaptée aux variantes de l'invention dans lesquelles la soupape est ouverte par translation pure, perpendiculairement au siège 22 de soupape. [0038] La forme tronconique est plus particulièrement adaptée aux soupapes s'ouvrant par basculement, tel que l'exemple présenté dans les figures 1 à 5. Dans une variante préférentielle de l'invention, on peut mettre en jeu une forme tronconique, décalée ou désaxée par rapport à l'axe de révolution de la portée soupape 11, à supposer que cette dernière soit circulaire, ce qui est généralement le cas. [0039] Ce désaxage permet, dans le cas d'un élément en saillie 12 présentant une forme de révolution, d'en augmenter le diamètre sans pour autant générer un contact entre la soupape et le conduit à l'opposé de l'axe 15 faisant liaison pivot. En augmentant le diamètre de l'élément en saillie 12, on réduit le jeu moyen rentre l'élément en saillie 12 et les parois internes du conduit de dérivation 2. Ce faisant, on réduit le débit de gaz autour de la soupape dans des positions d'ouverture partielle, tel que représenté en figure 4, ce qui augmente d'autant l'efficacité de l'ouverture latérale faisant boisseau dans l'obtention d'une progressivité dans l'établissement du flux de gaz lors de l'ouverture de la soupape 1. [0040] De manière plus générale, cet effet peut être obtenu par la mise en jeu de diverses géométries générales de l'élément en saillie, dans lesquelles l'élément en saillie 12 présente une hauteur, mesurée orthogonalement au plan de la portée de soupape 11, décroissante en s'éloignant de l'axe de basculement de la soupape. En d'autres termes, l'élément en saillie 12 présente une hauteur plus importante du côté de son axe de basculement, ce qui permet de limiter l'évacuation des gaz de ce côté de la soupape lors de son ouverture, et favorise l'évacuation des gaz par le côté opposé de la soupape et l'ouverture latérale 14, ce qui favorise le caractère progressif de l'ouverture de la soupape. [0041] On a représenté aux figures 3 à 5 une séquence d'ouverture d'une soupape conforme à une variante préférentielle de l'invention : - La figure 3 présente schématiquement environnement, en position de faible ouverture. La figure 4 présente schématiquement environnement, en position d'ouverture partielle. - La figure 5 présente schématiquement environnement, en position d'ouverture totale. - en coupe la soupape dans son en coupe la soupape dans son en coupe la soupape dans son [0042] En position de faible ouverture, présentée en figure 3, c'est l'espace entre le siège 22 de soupape et la portée de soupape 11 qui forme l'ouverture de la soupape, par écartement de ces éléments, et limite le débit gazeux la pouvant la traverser. [0043] En position intermédiaire d'ouverture, présentée en figure 4, la section de passage offerte évolue par la conjonction de l'évolution de l'écartement entre la portée de soupape 11 et le siège de soupape 22, et par le fait de découvrir progressivement (mise en regard de la sortie du conduit 2) l'ouverture latérale 14 de la concavité 13. [0044] En position de forte ouverture, présentée en figure 5, c'est avant tout l'écartement de la soupape 1 de l'orifice 2 qui fait évoluer la section de passage offerte aux gaz. Afin de limiter la perturbation du flux gazeux par la soupape, il est judicieux de rendre, en position de pleine ouverture, le fonds de la concavité 13 parallèle au siège 22 de soupape, généralement conique, en regard duquel il est positionné. [0045] L'évolution de la section de passage offerte aux gaz par la variante préférentielle de l'invention présentée aux figures précédentes est représentée graphiquement en figure 6. En abscisse, on a porté l'ouverture de la soupape, exprimée en échelle adimensionnée, entre la position totalement fermée F et la position de pleine ouverture PO. En ordonnée, on a porté la section de passage offerte aux gaz, en échelle adimensionnée, entre la position de la soupape totalement fermée offrant une section de passage nulle SN et la position de pleine ouverture de la soupape offrant une section maximale SM. [0046] La courbe A illustre l'évolution de la section de passage au début de l'ouverture de la soupape 1, pour une faible levée de soupape. [0047] La courbe B illustre l'évolution de la section de passage pour des levées de soupape dites « intermédiaires ». Dans cette zone, on a isolé avec la courbe B' la contribution de l'ouverture latérale agissant comme un boisseau à l'évolution de la section de passage. La courbe B correspond donc à l'évolution de la section de passage totale, cumulant l'effet d'écartement de la soupape de son siège de l'effet de l'ouverture latérale qui est progressivement sortie du conduit 2. [0048] La courbe C illustre l'évolution de la section de passage pour les fortes levées de soupape, à partir du moment où l'ouverture latérale 14 est totalement découverte. [0049] L'invention ainsi développée permet l'obtention d'une bonne progressivité dans l'établissement d'un flux gazeux traversant une soupape de dérivation autour d'une turbine d'un turbocompresseur d'un moteur à combustion. Cela facilite la calibration des systèmes de commande du moteur et de ses périphériques en rendant leur pilotage et l'effet de leur pilotage moins sensibles aux erreurs de positionnement de la soupape, inhérentes à tout système mécanique. On évite ainsi des phénomènes préjudiciables au bon fonctionnement du moteur, et à son confort d'utilisation.20 REVENDICATIONS1. Soupape (1) de régulation pour système de suralimentation par turbocompresseur d'un moteur à combustion, destinée à ouvrir ou obturer un conduit (2) de dérivation autour d'une turbine d'un turbocompresseur, comportant une portée de soupape (11) et un élément en saillie (12) au-delà de la portée de soupape (11) destiné à pénétrer à l'intérieur du conduit (2) de dérivation lorsque la soupape (1) l'obture, caractérisé en ce que l'élément en saillie (12) présente une forme générale concave, dont la concavité (13) présente en outre une ouverture dite latérale (14), arrangée de sorte à être progressivement découverte à l'extérieur du conduit lors de l'ouverture la soupape. 2. Soupape selon la revendication 1, la portée de soupape définissant un plan de portée de soupape, dans laquelle l'ouverture latérale (14) débouche parallèlement au plan de portée de soupape. 3. Soupape selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle l'ouverture latérale (14) est en forme de segment circulaire, et préférentiellement en forme de demi-cercle. 4. Soupape selon la revendication 3, dont la concavité (13) est de forme demi-cylindrique débouchant perpendiculairement au siège de soupape (11). 5. Soupape selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'élément en saillie (12) présente une forme extérieure générale sensiblement tronconique, forme dans laquelle est ménagée la concavité (13). 6. Soupape selon l'une des revendications précédentes, conformée pour s'ouvrir et se fermer par basculement autour d'un axe (15) parallèle au siège de soupape. 7. Soupape selon la revendication 6, dans laquelle la concavité (13) de l'élément en saillie débouche, par son ouverture latérale, perpendiculairement à l'axe (15) de basculement de la soupape. 8. Soupape selon la revendication 6 ou la revendication 7, dans laquelle l'élément en saillie (12) présente une hauteur, mesurée orthogonalement à portée de soupape, décroissante en s'éloignant de l'axe (15) de basculement de la soupape. 9. Soupape selon l'une des revendications 6 à 8, dans laquelle la portée de soupape (11) définit sensiblement un disque, et l'élément en saillie (12) est décentré de ce disque en direction de l'axe (15) de basculement de la soupape. 10. Système de suralimentation par turbocompresseur d'un moteur à combustion, comportant une soupape (1) de régulation de turbocompresseur conforme à l'une des revendications précédentes pouvant ouvrir ou obturer un orifice (21) d'entrée d'un conduit (2) de dérivation autour d'une turbine du turbocompresseur, orifice comportant un siège de soupape (22) adapté à la portée de soupape (11).