Brevet FR3057025A1 — publié le 20180406

TURBOCOMPRESSEUR A GÉOMETRIE VARIABLE ET SYSTÈME DE SURALIMENTATION D'AIR EQUIPÉ D'UN TEL TURBOCOMPRESSEUR [001] L'invention concerne de manière générale le domaine de l'automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne un turbocompresseur pour la suralimentation d'air du moteur thermique équipant un véhicule automobile. L'invention concerne également un système de suralimentation d'air dans lequel est intégré un tel turbocompresseur. [2] Dans le contexte de la réduction des émissions de CO2 des véhicules 10 automobiles, les constructeurs automobiles se sont orientés vers le développement de moteurs thermiques de plus faible cylindrée équipés de systèmes de suralimentation d'air plus performants et réactifs. [3] Le turbocompresseur classique n'est efficace qu'au-delà d'un certain régime du moteur thermique et présente l'inconvénient d'un temps de réponse, dit «turbo lag» en 15 anglais, qui peut s'avérer très pénalisant à bas régime. [4] Le turbocompresseur à géométrie variable autorise un comportement plus linéaire du moteur thermique et une meilleure réponse en couple moteur à bas régime, le déclenchement du turbocompresseur pouvant intervenir à des régimes inférieurs à 1500 tr/mn. 20 [005] Le turbocompresseur à géométrie variable a cependant longtemps été réservé aux moteurs thermiques de type Diesel du fait d'une thermique plus favorable des gaz d'échappement, comparativement aux moteurs à essence. En effet, dans un moteur à essence, la température des gaz d'échappement dépasse généralement les 950°C et impose l'utilisation de matériaux très performants et coûteux pour la turbine à géométrie 25 variable. De ce fait, l'intégration des turbocompresseurs à géométrie variable dans les moteurs thermiques à essence reste actuellement limitée essentiellement à quelques véhicules de haut de gamme. [006] II apparaît aujourd'hui souhaitable de proposer une solution facilitant l'intégration du turbocompresseur à géométrie variable dans les véhicules à essence fabriqués en 30 grande série, en autorisant une baisse de coût de la turbine à géométrie variable. 3057025 2 [007] Selon un premier aspect, l'invention concerne un turbocompresseur à géométrie variable apte à une intégration dans un système de suralimentation d'air de moteur thermique, le turbocompresseur comprenant un compresseur d'air et une turbine à géométrie thermique, la turbine comprenant une roue de turbine et un dispositif annulaire 5 à géométrie variable logés dans un carter de turbine, et le dispositif annulaire à géométrie variable comprenant un premier plateau de montage d'aubes à orientation variable et un deuxième plateau formant paroi d'admission annulaire de gaz. Conformément à l'invention, l'un au moins des premier et deuxième plateaux comporte un conduit interne d'échange de chaleur apte à permettre la circulation d'un liquide de refroidissement. [008] Le refroidissement de la turbine par au moins un des plateaux apporte l'avantage de pouvoir utiliser des matériaux avec des caractéristiques moindres de tenue en température, autorisant ainsi une baisse de coût significative de la turbine. [009] Selon une caractéristique particulière de l'invention, le conduit interne d'échange de chaleur a une forme annulaire et des ailettes intérieures pour une augmentation des 15 surfaces d'échange de chaleur. [0010] Selon une forme de réalisation particulière, le carter de turbine comporte un conduit interne de liquide de refroidissement apte à permettre la circulation d'un liquide de refroidissement. [0011] Selon un autre aspect, l'invention concerne un système de suralimentation d'air 20 de moteur thermique comportant un turbocompresseur de l'invention tel que décrit brièvement ci-dessus et un dispositif de refroidissement de turbine comportant un circuit de circulation de liquide de refroidissement traversant au moins un conduit interne d'échange de chaleur des premier et deuxième plateaux. [0012] Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, le dispositif de 25 refroidissement de turbine est raccordé à un échangeur thermique d'un dispositif de refroidissement du moteur thermique et utilise un même liquide de refroidissement qui est refroidi dans l'échangeur thermique. [0013] Selon une caractéristique particulière, le dispositif de refroidissement de turbine comporte un actionneur de circulation de liquide de refroidissement qui est piloté en 30 fonction d'une température de gaz d'échappement émis par le moteur thermique. 3057025 3 [0014] Selon une autre forme de réalisation particulière de l'invention, le dispositif de refroidissement de turbine comporte un échangeur thermique dédié. [0015] Selon une caractéristique particulière, le dispositif de refroidissement de turbine comporte un actionneur de circulation de liquide de refroidissement qui est piloté en 5 fonction d'une température de gaz d'échappement émis par le moteur thermique. [0016] Selon une autre caractéristique particulière, l'actionneur de circulation de liquide de refroidissement est une pompe pilotable ou une électrovanne. [0017] Selon une autre forme de réalisation particulière, le conduit interne de liquide de refroidissement du carter de turbine est raccordé en parallèle avec au moins un conduit 10 interne d'échange de chaleur des premier et deuxième plateaux de la turbine. [0018] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La Fig.1 est un bloc-diagramme montrant une première forme de réalisation 15 particulière d'un système de suralimentation d'air équipé d'un turbocompresseur à géométrie variable selon l'invention ; La Fig.2 est une vue en perspective, en éclatée et partiellement découpée, montrant sous une forme simplifiée une architecture de principe d'une turbine à géométrie variable d'un turbocompresseur selon l'invention ; 20 La Fig.3 est un bloc-diagramme montrant une deuxième forme de réalisation particulière d'un système de suralimentation d'air équipé d'un turbocompresseur à géométrie variable selon l'invention ; La Fig.4 est un bloc-diagramme montrant une troisième forme de réalisation particulière d'un système de suralimentation d'air équipé d'un turbocompresseur à 25 géométrie variable selon l'invention ; La Fig.5 est un bloc-diagramme montrant une quatrième forme de réalisation particulière d'un système de suralimentation d'air équipé d'un turbocompresseur à géométrie variable selon l'invention ; et 3057025 4 La Fig.6 est un bloc-diagramme montrant une cinquième forme de réalisation particulière d'un système de suralimentation d'air équipé d'un turbocompresseur à géométrie variable selon l'invention. [0019] En référence aux Figs.1 et 2, il est maintenant décrit de manière détaillée 5 l'architecture générale de la première forme de réalisation particulière 1 du système de suralimentation d'air équipé d'un turbocompresseur à géométrie variable selon l'invention. [0020] Le système de suralimentation d'air 1 comporte essentiellement un turbocompresseur selon l'invention 10 comportant une turbine à géométrie variable 10T, un compresseur d'air 10C et un dispositif de refroidissement de turbine 10R, un dispositif 10 de refroidissement 11 dédié au refroidissement de l'air de suralimentation, et différents éléments annexes de la boucle d'alimentation d'air comme des conduites d'air 12 et une conduite de contournement de compresseur 13 équipée d'une soupape de décharge 14. [0021] Le système de suralimentation d'air 1 équipe un moteur thermique 2 et est raccordé à celui-ci au niveau d'un répartiteur d'admission d'air 20, à travers un papillon 15 des gaz 21, et à un collecteur d'échappement 22 et des conduites d'échappement des gaz 23, à travers la turbine à géométrie variable 10T du turbocompresseur 10. [0022] En référence plus particulièrement à la Fig.2, il est maintenant décrit en détail la turbine à géométrie variable 10T et le dispositif de refroidissement de turbine 10R. [0023] Comme montré à la Fig.2, la turbine à géométrie variable 10T est formée 20 essentiellement d'une roue de turbine 100 et d'un dispositif annulaire à géométrie variable. Le dispositif annulaire à géométrie variable comprend essentiellement une pluralité d'aubes de distribution de gaz à orientation variable 101, un premier plateau de montage d'aubes 102, un anneau mobile de commande d'orientation d'aubes 103 et un deuxième plateau formant paroi d'admission annulaire de gaz 104. 25 [0024] Dans la Fig.2 qui est vue en éclaté partiel, le deuxième plateau 104 est montré distant du premier plateau de montage d'aubes 102. Dans l'assemblage réel de cette forme de réalisation, le plateau 104 est fixé mécaniquement au plateau 102 avec un écartement défini entre eux. L'écartement des plateaux 102 et 104 est déterminé par des goujons filetés de montage 142a, 142b et 142c qui les assemblent mécaniquement l'un à 30 l'autre et remplissent également une fonction d'entretoise d'écartement. Cet écartement entre les plateaux 102 et 104 doit être suffisant pour ne pas gêner la rotation de la roue de 3057025 5 turbine 100 et le mouvement des aubes de distribution de gaz à orientation variable 101. Un espace annulaire est ainsi créé entre les premier et deuxième plateaux 102 et 104. [0025] Dans le turbocompresseur 10, la turbine 10T est montée dans un carter de turbine 105, montré schématiquement à la Fig.1. Les gaz d'échappement EG sous 5 pression sont amenés dans l'espace annulaire entre les premier et deuxième plateaux 102 et 104, au niveau de la zone circonférentielle de ceux-ci. L'arrivée des gaz EG sur la roue de turbine 100 est contrôlée avec les aubes de distribution de gaz 101. L'anneau mobile 103 permet de commander l'orientation des aubes 101. [0026] L'anneau 103 est mobile en rotation autour d'un axe AA de la turbine 10T et est 10 piloté par une tringle 106 d'un actionneur (non représenté). L'anneau mobile 103 est couplé mécaniquement à chacune de aubes 101 par une pluralité de dispositifs à axe et levier 101a dédiés. [0027] La position des aubes 101 autorise un réglage du débit et de l'angle d'arrivée des gaz EG sur la roue de turbine 100. Les aubes 101 peuvent prendre différentes positions commandées entre une position de fermeture et une position de pleine ouverture. Dans la position de fermeture des aubes 101, les gaz EG passent dans l'espace annulaire entre les plateaux 102 et 104 sans arriver sur la roue de turbine 100 et la suralimentation d'air est alors désactivée. Dans la position de pleine ouverture des aubes 101, les gaz EG arrivent sur la roue de turbine 100 avec un débit maximal autorisé, selon le régime du moteur thermique, et le turbocompresseur 100 est alors en capacité de fournir une suralimentation d'air maximale. [0028] Conformément à l'invention, comme montré à la Fig.2, au niveau de découpes D102 et D104, les premier et deuxième plateaux 102 et 104 sont des pièces creuses comportant des conduits internes d'échange de chaleur, 102a et 104a respectivement, pour la circulation d'un liquide de refroidissement qui typiquement est de l'eau, mais non exclusivement. Les plateaux 102 et 104 sont ici complètement creux avec les conduits internes d'échange 102a et 104a ayant une forme annulaire et une géométrie favorisant l'échange de chaleur. [0029] Comme cela apparaît à la Fig.2, les conduits internes d'échange 102a, 104a, sont 30 formés avantageusement avec des ailettes intérieures pour une augmentation des surfaces d'échange de chaleur. Le type d'échange de chaleur mis en oeuvre ici est la 3057025 6 convection forcée entre les corps solides des plateaux 102a, 104a, et l'eau de refroidissement circulant dans les conduits internes 102a, 104a. [0030] Des raccords tubulaires d'entrée d'eau 102b, 104b, et des raccords tubulaires de sortie d'eau 102c, 104c, en communication avec les conduits internes d'échange 102a, 5 104a, sont prévus dans les plateaux 102, 104, respectivement, pour leur raccordement au dispositif de refroidissement 10R. [0031] Comme montré aux Figs.1 et 2, dans cette première forme de réalisation du système de suralimentation d'air selon l'invention, le dispositif de refroidissement lOR de la turbine comporte essentiellement les conduits internes d'échange 102a et 104a, un 10 échangeur thermique eau-air 100R, une pompe à eau 101R et plusieurs tuyaux de raccordement et circulation d'eau 102R entre ces composants 102a, 104a, 100R et 101 R. [0032] Dans cette forme de réalisation, la pompe à eau 101 R commande une circulation forcée de l'eau de refroidissement dans le dispositif 10R. Les conduits internes d'échange 102a et 104a sont alimentés en parallèle en eau de refroidissement. 15 [0033] L'eau de refroidissement fournie par une sortie d'eau de la pompe à eau 101 R est amenée à travers des tuyaux 102R jusqu'aux raccords tubulaires d'entrée d'eau 102b et 104b, et est introduite dans les conduits internes d'échange 102a et 104a des plateaux 102 et 104. L'eau circule dans les conduits internes d'échange 102a et 104a, monte en température en extrayant des calories des corps solides des plateaux 102 et 104, et sort 20 des conduits internes d'échange 102a et 104a par les raccords tubulaires de sortie d'eau 102c et 104c. L'eau sortant des conduits internes d'échange 102a et 104a est amenée à travers des tuyaux 102R jusqu'à une entrée d'eau de l'échangeur thermique eau-air 100R. En traversant l'échangeur eau-air 100R, l'eau de refroidissement est refroidie par une libération de calories qui sont dispersées dans l'air. L'eau sortant de l'échangeur eau-air 25 100R est amenée à travers un tuyau 102R jusqu'à une entrée d'eau de la pompe 101 R et est ainsi remise en circulation dans le dispositif de refroidissement 10R. [0034] Le dispositif lOR en assurant un refroidissement des plateaux 102 et 104 permet de maintenir la température de la turbine à géométrie variable 10T en dessous d'une température critique pour les matériaux utilisés dans celle-ci. [0035] Conformément à l'invention, le fonctionnement du dispositif de refroidissement de turbine 1OR peut avantageusement être asservi à la température des gaz d'échappement 3057025 7 EG. La pompe à eau 101R est alors une pompe pilotable dont le fonctionnement est commandé en fonction de la température des gaz EG. Ainsi, par exemple, dans une forme de réalisation avec un asservissement de type tout-ou-rien, la pompe 101 R reste inactive lorsque les gaz EG ont une température inférieure à 850°C et devient active lorsque leur 5 température dépasse 850°C. [0036] De manière générale, on notera également que dans certaines formes de réalisation l'utilisation d'un seul des deux plateaux 102, 104, pour le refroidissement de la turbine pourra s'avérer suffisante et cela quelle que soit l'architecture du système de suralimentation d'air. Dans un tel cas, bien entendu, seul le plateau utilisé dans dispositif 10 de refroidissement aura une structure creuse avec un conduit interne d'échange tel que décrit ci-dessus. [0037] En référence maintenant aux Figs.3 et 4, il est décrit les deuxième et troisième formes de réalisation particulières 1 a et 1 b du système de suralimentation d'air équipé d'un turbocompresseur à géométrie variable selon l'invention. On notera que les 15 composants des systèmes 1 a et 1 b de type analogue à ceux du système 1 décrit ci-dessus en référence aux Figs.1 et 2 ne seront pas décrits ci-dessous et conservent les mêmes repères. [0038] Dans la deuxième forme de réalisation, comme montré à la Fig.3, le turbocompresseur 10a du système 1 a diffère de celui 10 du système 1 essentiellement par 20 le dispositif de refroidissement de la turbine 10Ta qui ne comprend pas d'échangeur thermique eau-air dédié. Le refroidissement du plateau 102 et/ou du plateau 104 est ici obtenu au moyen d'un dispositif de refroidissement 10Ra qui est formé par un circuit de refroidissement en dérivation du dispositif général de refroidissement à eau du moteur thermique 2. On aura noté à la Fig.3 que seul le refroidissement du plateau 104 est 25 représenté, à titre d'exemple. [0039] Le dispositif de refroidissement à eau du moteur thermique 2 est montré de manière simplifiée à la Fig.3, sous la forme d'un échangeur thermique eau-air 24 et de tuyaux de raccordement et circulation d'eau 25A et 25B reliant l'échangeur 24 au moteur thermique 2. Un tel dispositif de refroidissement du moteur thermique est bien connu de 30 l'homme du métier et comprend notamment une pompe à eau et un ventilateur qui ne sont pas représentés ici. Dans cette forme de réalisation, comme dans les troisième et quatrième formes de réalisation qui sont décrites plus bas, le dispositif de refroidissement 3057025 8 de la turbine et le dispositif de refroidissement du moteur thermique utilise un même liquide de refroidissement qui est refroidi dans l'échangeur thermique eau-air 24. [0040] Les tuyaux 25A et 25B sont respectivement un tuyau d'arrivée d'eau vers le moteur thermique 2 et un tuyau de retour d'eau vers l'échangeur 24. Le dispositif de 5 refroidissement 10Ra prend son entrée d'eau, ou point de piquage d'eau, sur le circuit d'arrivée d'eau, représenté ici par le tuyau 25A, du dispositif de refroidissement du moteur 2. L'eau de refroidissement sortant de la turbine 10Ta est introduite dans l'échangeur 24 au niveau du circuit de retour d'eau, par un raccordement direct à un collecteur de retour d'eau 24A de l'échangeur, comme représenté, ou par un raccordement au tuyau 25B. 10 [0041] Le dispositif de refroidissement 10Ra comporte un actionneur piloté de circulation d'eau 103R et des tuyaux 102R pour le raccordement de la turbine 10Ta aux circuits d'arrivée et de retour d'eau du dispositif de refroidissement du moteur 2. Selon l'application, l'actionneur 103R pourra être une pompe à eau, comme la pompe 101 R des Figs.1 et 2, ou une électrovanne. L'électrovanne peut s'avérer suffisante pour certaines 15 applications compte-tenu de la présence de la pompe à eau du dispositif de refroidissement du moteur 2. [0042] La troisième forme de réalisation de la Fig.4 se distingue de celle de la Fig.3 par le fait que son dispositif de refroidissement 10Rb prend son entrée d'eau sur le circuit de retour d'eau du dispositif de refroidissement du moteur 2, et non pas sur le circuit d'arrivée 20 d'eau. Dans cette forme de réalisation, la température de l'eau de refroidissement entrant dans le dispositif de refroidissement 10Rb est normalement plus élevée que celle de l'eau de refroidissement entrant dans le dispositif 10Ra, mais une eau de refroidissement avec une température plus élevée pourra convenir dans certaines applications. [0043] En référence maintenant aux Figs.5 et 6, il est décrit les quatrième et cinquième 25 formes de réalisation particulières 1c et 1d du système de suralimentation d'air équipé d'un turbocompresseur à géométrie variable selon l'invention. On notera que les composants des systèmes 1c et 1d de type analogue à ceux du système 1 décrit ci-dessus en référence aux Figs.1 et 2 ne seront pas décrits ci-dessous et conservent les mêmes repères. 30 [0044] Dans les formes de réalisation des Figs.5 et 6, le refroidissement à eau de la turbine à géométrie variable est plus conséquent que celui des formes de réalisation précédentes en ce que le refroidissement de la turbine concerne l'un au moins des deux 3057025 9 plateaux 102, 104, et le carter de la turbine qui dans ces formes de réalisation comporte un conduit interne pour la circulation d'un liquide de refroidissement tel que l'eau. Ce conduit interne du carter de turbine est raccordé ici en parallèle avec au moins un conduit interne d'échange de chaleur des plateaux 102, 104. 5 [0045] Comme cela apparaît à la Fig.5, l'architecture générale du dispositif de refroidissement du moteur thermique 2 et du dispositif de refroidissement 10Rc du turbocompresseur 10c du système lc est proche de celle du système 1 b de la Fig.4. En effet, cette architecture prévoit l'utilisation de l'échangeur 24 du dispositif de refroidissement du moteur 2 pour le refroidissement du turbocompresseur 10c et un point 10 de piquage d'eau sur le circuit de retour d'eau vers l'échangeur 24. Les circuits refroidissement à eau des plateaux 104, 102, et du carter 105c de la turbine 10Tc sont configurés en parallèle. Une pompe à eau 104R, dédiée au refroidissement du turbocompresseur 10c, est prévue dans cette architecture. [0046] Comme cela apparaît à la Fig.6, l'architecture générale du dispositif de 15 refroidissement 10Rd turbocompresseur 10d du système 1 d est proche de celle du système 1 des Figs.1 et 2. En effet, le dispositif de refroidissement 10Rd est indépendant du dispositif de refroidissement du moteur thermique 2 et prévoit l'utilisation d'un échangeur eau-air 100Rd dédié au turbocompresseur, comme dans le système 1 des Figs.1 et 2. Les circuits de refroidissement à eau des plateaux 104, 102, et du carter 105d 20 de la turbine 10Td sont configurés en parallèle. Une pompe à eau 105R, dédiée au refroidissement du turbocompresseur 10c, est également prévue dans cette architecture. [0047] Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, pourra y apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la 25 portée des revendications ci-annexées. REVENDICATIONS1. Turbocompresseur à géométrie variable apte à une intégration dans un système de suralimentation d'air de moteur thermique, comprenant un compresseur d'air (10C) et une turbine à géométrie thermique (10T), ladite turbine comprenant une roue de turbine (100) et un dispositif annulaire à géométrie variable logés dans un carter de turbine (105), et ledit dispositif annulaire à géométrie variable comprenant un premier plateau de montage d'aubes à orientation variable (102) et un deuxième plateau formant paroi d'admission annulaire de gaz (104), caractérisé en ce que l'un au moins desdits premier et deuxième plateaux (102 , 104) comporte un conduit interne d'échange de chaleur (102a, 104a) apte à permettre la circulation d'un liquide de refroidissement. 2. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit conduit interne d'échange de chaleur (102a, 104a) a une forme annulaire et des ailettes intérieures pour une augmentation des surfaces d'échange de chaleur. 3. Turbocompresseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit carter de turbine (105c, 105d) comporte un conduit interne de liquide de refroidissement apte à permettre la circulation d'un liquide de refroidissement. 4. Système de suralimentation d'air de moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comporte un turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et un dispositif de refroidissement de turbine (10R, 10Ra, 10Rb, 10Rc, 10Rd) comportant un circuit de circulation de liquide de refroidissement traversant au moins un dit conduit interne d'échange de chaleur (102a, 104a) desdits premier et deuxième plateaux (102, 104). 5. Système selon la revendication 4, dans lequel ledit dispositif de refroidissement de turbine est raccordé à un échangeur thermique (24) d'un dispositif de refroidissement (24, 25A, 25B) dudit moteur thermique (2) et utilise un même liquide de refroidissement qui est refroidi dans ledit échangeur thermique (24). 3057025 11 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit dispositif de refroidissement de turbine (10Ra, 10Rb) comporte un actionneur de circulation de liquide de refroidissement (103R) qui est piloté en fonction d'une température de gaz d'échappement (EG) émis par ledit moteur thermique (2). 5 7. Système selon la revendication 4, dans lequel ledit dispositif de refroidissement de turbine (10R, 10Rd) comporte un échangeur thermique dédié (100R, 100Rd). 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit dispositif de refroidissement de turbine (10R, 10Rd) comporte un actionneur de circulation de liquide de refroidissement (101R, 105R) qui est piloté en fonction d'une 10 température de gaz d'échappement (EG) émis par ledit moteur thermique (2). 9. Système selon la revendication 6 ou 8, caractérisé en ce que ledit actionneur de circulation de liquide de refroidissement (101 R, 103R, 104R, 105R) est une pompe pilotable ou une électrovanne. 10. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 9 et la revendication 3, 15 caractérisé en ce que ledit conduit interne de liquide de refroidissement dudit carter de turbine (105c, 105d) est raccordé en parallèle avec ledit au moins un conduit interne d'échange de chaleur (102a, 104a) desdits premier et deuxième plateaux (102, 104).