Moteur à combustion interne alimenté par un compresseur entraîné par une turbine à gaz d'échappement centripète L'invention a pour objet un moteur à combustion interne alimenté par un compresseur entraîné par une turbine à gaz d'échappement centripète, carac térisé par des aubes de guidage réglables disposées à l'entrée du compresseur pour régler la composante de tourbillon de l'air s'approchant des aubes mobiles du compresseur.
L'invention permet d'augmenter la gamme des vitesses pour lesquelles le moteur fonctionne de manière satisfaisante, et notamment permet d7amélio- rer les caractéristiques d'accélération.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du moteur faisant l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe axiale à travers le turbo compresseur de ce moteur destiné en particulier à la propulsion d'automobiles.
La fig. 2 est une vue composée dont la partie de droite est une coupe .radiale par la ligne 2-2 de la fig. 1, tandis que la partie de gauche est une vue en bout depuis l'extrémité gauche de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en élévation de l'extrémité droite de la fig. 1 avec une coupe par la ligne 3-3 de celle-ci.
La fig. 4 est une vue en élévation du côté d'entrée de la roue à aubes du compresseur repré sentée à la fig. 1.
La fig. 5 est une vue partielle montrant un déve loppement d'une projection de la roue sur un cylin dre coaxial à celle-ci.
La fig. 6 est une vue schématique illustrant les éléments de commande de cette forme d'exécution du moteur.
Le turbocompresseur représenté aux fig. 1 à 3 comprend une partie rigide formée par deux mou- lages en aluminium, l'un désigné en 2 comportant une enveloppe 4 du palier de gauche et l'autre étant désigné en 6 et ayant, venue de fabrication avec elle, une enveloppe 8 du palier de droite. La partie 6 a la forme générale d'un croisillon fixé à la partie 2 par des boulons 10. Un cylindre métallique 12 com porte une bride annulaire 16 serrée entre les parties 2 et 6 et supporte un organe annulaire métallique 14 qui est maintenu en position par des vis 18.
Le cylindre 12 est serré sur une matière de remplissage 20 en céramique dans laquelle est retenu (par une cheville non représentée) un bouchon de remplissage en céramique 22, ces deux éléments en une matière réfractaire étant séparés simplement pour faciliter l'assemblage. La céramique 20 fournit un espace de tourbillon 24 sans aube, pour l'amenée de gaz d'en traînement provenant du moteur E à l'aubage de turbine, cet espace comportant, comme indiqué en particulier à la fig. 3, des tuyères 26 pour diriger les gaz d'entraînement dans l'espace 24 à une vitesse élevée dans une direction tangentielle.
Le cylindre 12 est muni d'ouvertures 28 alignées sur les entrées des tuyères 26, le collecteur d'échappement 30 du moteur étant fixé au cylindre.
La matière de remplissage 20 et l'organe 14 for ment entre eux un diffuseur annulaire 32 sans aube pour les gaz échappés de la turbine. Le diffuseur four nit aux gaz une composante d'écoulement dirigée radialement vers l'extérieur et refoule ces gaz à tra vers un conduit 34 qui peut les amener à un point d'échappement désiré.
Un organe de remplissage 36 sert en partie à délimiter les passages d'air et est fixé dans la pièce moulée 2. Cet organe de remplissage 36 est en une matière plastique résistant à la chaleur. La matière plastique peut être utilisée ici pour des raisons de légèreté et grâce au fait que les températures de l'air ne dépassent pas 1900, une très bonne isolation étant réalisée entre la turbine et le compresseur par les matières céramiques 20 et 22.
L'organe de remplis sage 36 conjointement avec les surfaces adjacentes en céramique fournit un diffuseur 38 sans aube s'étendant radialement, à partir duquel l'air comprimé est déchargé dans une spirale 39 d'où il est amené à travers une conduite 40 au collecteur d'entrée du moteur E. Ce diffuseur présente un rapport du dia mètre de sortie (à son point de refoulement dans la spirale 39) au diamètre d'entrée (au point de refou lement de l'air à la périphérie de la roue du com presseur) égal à au moins 2.
Le passage d'écoulement tourbillonnaire 42 est prévu entre la pièce 2 et l'organe de remplissage 36, ce passage étant destiné à l'air s'approchant de la roue du compresseur, et l'écoulement se faisant radia- lement vers l'intérieur à partir d'une entrée annulaire 44 ouverte à l'atmosphère ou à un filtre d'air et étant dévié axialement pour pénétrer dans l'aubage du compresseur. Des aubes 46 sont situées dans le pas sage 42 et sont réglables angulairement pour impartir un tourbillon à l'air entrant.
Ces aubes sont portées par des arbres individuels 48 tourillonnés dans la pièce 2, chaque arbre portant à son extrémité exté rieure un pignon 50 sur lequel passe une chaîne 52 destinée à l'entraînement simultané de tous les arbres. L'un de ces pignons est muni d'un bras 54 auquel sont fixées des liaisons de commande comme décrit ci-après.
Le rotor de turbine 56 porte des aubes 57 qui seront décrites en détail plus loin. Ce rotor est venu de fabrication avec un arbre 58 muni d'un prolon gement 60 à son extrémité gauche qui porte un moyeu 62 de la roue de compresseur. L'aubage du compresseur comprend des aubes dont chacune est formée de deux sections 66 et 68.
Des prolongements d'arbres 70 et 72 sont mon tés dans des alésages 74, respectivement 76, légère ment coniques de l'arbre du rotor. Chacun des alé sages s'évase vers l'extérieur à partir de son extré mité intérieure cylindrique dans le but qui sera expli qué par la suite. Les conicités ont été exagérées à la fig. 1 pour la clarté du dessin.
Le prolongement gau che de l'arbre est monté dans un palier à billes 78, l'arbre lui-même fournissant le chemin de roulement intérieur pour les billes du palier. Le chemin de roule ment extérieur est monté élastiquement au moyen d'un élément 80 de ressort à lame, de forme poly gonale destiné à fléchir sous l'effet d'efforts radiaux. Le montage du palier à billes est rendu étanche au moyen d'un joint 84 et d'un organe séparateur 82.
Du lubrifiant est enfermé en 86 dans un chapeau 88 qui forme avec un organe 90 un espace annulaire dans lequel le chemin de roulement extérieur du rou lement à billes est placé. Un joint d'étanchéité à l'air du type à labyrinthe est formé en 92 sur la partie gauche de l'arbre 58. Des ouvertures 94 servant à l'amenée d'air dans la région située à droite du rou lement à billes sont ménagées en 94. Le palier à billes est maintenu dans l'enveloppe 4 au moyen d'un anneau élastique à déclenchement 96.
L'extrémité de l'arbre de la turbine est munie d'un ensemble semblable à celui qui vient d'être décrit, cet ensemble comportant un palier à rouleaux désigné d'une façon générale en 98, dont le chemin de roulement intérieur est formé par le prolongement de l'arbre 72, tandis que le chemin de roulement extérieur est monté élastiquement au moyen d'un ressort 100 semblable à celui décrit précédemment. Un joint 104 sert à fermer le palier et du lubrifiant est enfermé en 106 dans un chapeau 108, un organe d'espacement 102 étant prévu entre le roulement et le lubrifiant. Le chapeau 108 avec l'organe 110 sert à fournir l'espace annulaire pour le palier. L'assem blage est retenu dans l'enveloppe 8 au moyen d'un anneau élastique 112.
Un labyrinthe à air est agencé en 114.
L'air entrant présente un degré important de tour billon qui lui est imparti et dont il résulte des dévia tions de l'angle d'écoulement par rapport à la roue de compresseur à partir des angles d'entrée des aubes de compresseur, déviations qui dépassent beaucoup les variations autorisées en utilisant la construction habituelle d'aube. La force de tourbillon d'entrée, notamment le produit de la composante périphérique de la vitesse absolue de l'air entrant à n'importe quel rayon par la vitesse périphérique du bord d'entrée de la roue de compresseur au même rayon, peut varier d'une valeur négative à une valeur positive qui, dans quelques cas, peut dépasser la valeur de la force tourbillonnaire à la sortie de la roue de com presseur.
L'écoulement tourbillonnaire apparaît dans le passage 42 sous l'effet des aubes de guidage, de sorte que la force du tourbillon à n'importe quel rayon du bord d'entrée de l'aubage du compresseur est constante.
Pour fournir un écoulement doux malgré les variations indiquées ci-dessus, on a recours à une déviation de l'écoulement au moyen d'une agitation de couche limite de manière à provoquer un écou lement doux entre les aubes de la roue du compres seur sur tout le passage d'air depuis l'entrée jusqu'à la sortie du compresseur. Pour effectuer cette agita tion de couche limite, il est nécessaire d'avoir à dis position une pression positive ou négative pour four nir une déviation d'écoulement.
L'écoulement d'entrée établi à l'entrée de la roue de compresseur est un écoulement tourbillonnaire libre grâce à la présence d'aubes de guidage 46 pro duisant un effet centrifuge et par la distance radiale considérable du passage 42, cet écoulement étant caractérisé par une valeur constante du produit de la composante périphérique de la vitesse absolue par le rayon à partir de l'axe de rotation. En même temps, il se produit un écoulement très incurvé au voisinage de l'entrée de la roue dans la direction méridienne, comportant une composante méridienne importante de la vitesse d'écoulement à la sortie de l'ouverture d'entrée et une composante méridienne relativement petite de la vitesse d'écoulement au voi sinage du moyeu de la roue.
En utilisant des aubes hélicoïdales ayant tous les éléments radiaux, le problème de distribution d'angle d'entrée est résolu en prolongeant les parties du bord d'entrée des aubes comme représenté en 67 de sorte que les bords d'entrée s'étendent sur un cône autour de l'axe de rotation plutôt que dans un plan radial. Des coupes axiales du passage d'écoulement d'appro che sont incurvées de sorte que les rayons de cour bure des parois extérieure et intérieure de ces sec tions ont leurs centres situés sur un tel cône. Les bords d'entrée de l'aube sont alors orthogonaux par rapport aux parois du passage d'approche fournissant ainsi un rendement élevé.
La roue à aubes du compresseur présente en fait des aubes épaisses fonctionnant comme si elles étaient formées et arrondies à leurs bords d'entrée et de sortie pour fournir un profil aérodynamique lisse, c'est-à-dire fonctionnant comme si elles présentaient une extrémité d'entrée arrondie comme indiqué en pointillé par la ligne 116 et un bord de sortie arrondi comme indiqué par la ligne pointillée 115.
En fait cette aube épaisse est en forme de coquille qui comporte deux parois 66 et 68 (fig. 5) formant entre elles des ouvertures en 117 et 118 (fig. 4 et 5). L'ouverture 117 est prévue de telle manière que les parois d'aubes respectives 66 et 68 d'une seule aube se terminent à leurs bords d'entrée 67 et 69 de façon que ces bords à n'importe quel rayon se terminent sur une surface qui est approxi mativement normale au passage d'écoulement d'air à l'entrée.
Il en résulte de façon évidente que le bord d'entrée 69 de la partie menante 68 de l'aube s'étend axialement au-delà du bord d'entrée 67 de la paroi d'aube 66 dans le sens d'écoulement de l'air. On remarquera que le bord d'entrée 67 dont il a déjà été question s'étend dans un cône autour de l'axe de rotation et est orthogonal à l'écoulement tandis que le bord d'entrée 69 de la paroi d'aube 68 est radial (ou au moins approximativement radial) étant également orthogonal à l'écoulement qui l'atteint.
Une condition semblable se retrouve à l'ouverture de sortie 118 de sorte que le bord de sortie de la paroi d'aube 66 se termine près du bord de sortie de la paroi d'aube 68 dans le sens d'écoulement de l'air, la fin de la partie mentionnée en premier lieu étant par conséquent située à un rayon plus petit que le rayon de la dernière partie à partir de l'axe de rota tion. Il en résulte que chaque aube de la roue com porte un passage entre ces parois 66 et 68 qui pré sente une entrée en 117 et une sortie en 118. L'écou lement d'air par rapport à la roue entre les parois d'aubes 66 et 68 d'une même aube a une forme de S, tandis que celui entre des aubes adjacentes ne présente qu'une seule courbure.
Dans cette construction, du fait de l'action cen trifuge, une chute de pression apparaît en 119 pro- duisant un écoulement forcé à travers l'ouverture 117 et entre les sections d'aubes avec décharge en 118. La courbure forcée de l'écoulement en 117 qui en résulte entraîne si cela est nécessaire une courbure d'écoulement entre les aubes de sorte qu'une couche limite agitée est produite le long du côté concave de la section d'aube 66. C'est sur ce côté de cette sec tion d'aube que se produit une séparation d'écoule ment à partir de l'aube pendant des conditions oppo sées d'angle d'écoulement.
On va maintenant décrire une commande du moteur à combustion interne à turbocompresseur représenté à la fig. 6 et utilisé dans un véhicule. Ce moteur E est du type à allumage par bougies. Le turbocompresseur partiellement représenté à la fig. 6 est identique à celui décrit précédemment. Le bras 54 commandant les aubes 46 est relié par une tige 130 et un levier coudé 132 à un bouton d7accé- lérateur 134 qui peut être enfoncé par le pied du conducteur du véhicule.
Lorsque le bouton d'accélé rateur n'est pas enfoncé, les aubes 46 se trouvent dans la position fermée, c'est-à-dire de manière à donner une composante périphérique maximum de l'écoulement à l'air entrant, produisant ainsi une com posante d'entraînement de l'écoulement pour la roue de compresseur qui, dans ces conditions, agit comme une turbine pour aider à maintenir une vitesse acceptable du rotor turbine-compresseur.
Le moteur est ensuite dans la condition de marche à vide, son réglage étant tel qu'il continue à tourner mais dans des conditions fournissant une pression subatmosphé- rique dans le collecteur d'admission et par consé quent à la sortie du compresseur représentée par le passage 40. Entre le passage 40 et le collecteur d'admission du moteur E, indiqué en 140, se trouve un venturi 136 fournissant, comme partie d'un car burateur, l'aspiration de combustible à partir de la chambre de carburateur désignée en 138, cette cham bre recevant du combustible à partir de la conduite 139 de la pompe de combustible.
Le collecteur d'échappement du moteur E représenté en 142 et 144 désigne un cylindre. Des moyens d'allumage par bougies ne sont pas représentés. Un dispositif 146 comportant un diaphragme 148 séparant des chambres supérieure et inférieure est prévu pour améliorer la commande, la chambre supérieure étant reliée par une conduite 150 à l'étranglement du ven- turi, la chambre inférieure par un conduit 152 au passage 40. La tige coulissante 154 reliée au dia phragme 148 commande un levier 156 qui intercale une came d'arrêt 158 dans le trajet du déplacement vers le haut de l'extrémité extérieure du bras 54.
Dans des conditions de marche à vide qui vien nent d'être décrites, la came d'arrêt 158 a son action principale de limitation sur le déplacement du bras 54 empêchant mécaniquement une ouverture par tielle des aubes 46.
Si maintenant on désire augmenter la puissance de sortie du moteur, le conducteur presse sur le bou ton 134 ouvrant davantage les aubes 46,1e déplace- ment étant limité par la came d'arrêt<B>158.</B> Ce dépla cement des aubes diminue la composante de tour billon de l'écoulement s'approchant de la roue du compresseur en augmentant le rapport de pression et l'écoulement d'air au collecteur d'admission. Le dis positif de fourniture de combustible débite davantage de combustible au moteur augmentant sa puissance de sortie. Ceci augmente l'énergie contenue dans les gaz d'échappement ainsi que la quantité de ces gaz de sorte que la puissance d'entrée de la turbine est augmentée.
Avec cet accroissement d'écoulement d'air, la came d'arrêt 158 est basculée dans un sens pour permettre l'ouverture ultérieure des aubes 46. Cette action est progressive mais peut avoir lieu en un temps très court de sorte que si on le désire, le moteur peut être amené sans retard appréciable à pleine puissance de sortie et à la vitesse maximum, ce qui permet d'obtenir l'entraînement optimum de la turbine et le développement du rapport de pression maximum, ainsi que l'écoulement d'air fourni en conséquence par le compresseur.
La composante de tourbillon de l'air entrant étant réduite à zéro ou même inversée s'oppose à la rotation de la roue du compresseur. Le but de la came d'arrêt 158 est sim plement d'empêcher le compresseur de fournir plus d'air que le moteur ne peut en aspirer pendant la phase initiale de son accélération. Lorsque la puis- sance de sortie doit être réduite, le bouton d'accélé rateur est relâché ce qui produit la suite inverse des opérations du dispositif. On notera ici que la came 158 ne sert qu'à des moteurs fonctionnant sur une large gamme de vitesses.
A de faibles vitesses de moteur, celui-ci ne peut aspirer qu'une petite quan tité d'air et si les aubes de guidage étaient subite ment ouvertes, de violentes pulsations apparaî traient dans le compresseur, absorbant une puis sance telle que la turbine ralentirait. L'arrêt limite l'ouverture de l'aube de guidage au point où le com presseur peut débiter l'écoulement maximum sans pulsation et sans consommation excessive d'énergie.
En général, il est désirable de commander la vitesse et la puissance de sortie de moteurs à allu mage par bougies en commandant l'écoulement d'air au moyen des aubes de guidage d'entrée du compresseur et en commandant indirectement la quantité de combustible par un dispositif connu (tel qu'un carburateur) qui mesure la quantité d'air fournie au moteur et règle automatiquement les pro portions de combustible à celui-ci, de telle sorte que le rapport air-combustible soit correct et constant.
Dans des moteurs Diesel qui fonctionnent toujours avec un excédent d'air appréciable et où il n'est pas nécessaire de maintenir le rapport air-combustible constant, l'écoulement de combustible peut être com mandé directement et toute commande utilisée dans ce but peut également servir à actionner les aubes de guidage d'entrée du compresseur aussi longtemps que la commande d'écoulement de combustible et de la position des aubes de guidage est effectué de telle manière que le turbocompresseur fonctionne à une vitesse suffisamment élevée comme il a été décrit.
Internal combustion engine powered by a compressor driven by a centripetal exhaust gas turbine The invention relates to an internal combustion engine powered by a compressor driven by a centripetal exhaust gas turbine, charac terized by vanes. Adjustable guides arranged at the inlet of the compressor to adjust the vortex component of the air approaching the moving blades of the compressor.
The invention makes it possible to increase the range of speeds for which the engine operates satisfactorily, and in particular makes it possible to improve the acceleration characteristics.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the engine forming the subject of the invention.
Fig. 1 is an axial section through the turbo compressor of this engine intended in particular for the propulsion of automobiles.
Fig. 2 is a composite view, the right part of which is a radial section through line 2-2 of FIG. 1, while the left part is an end view from the left end of FIG. 1.
Fig. 3 is an elevational view of the right end of FIG. 1 with a cut through the line 3-3 of it.
Fig. 4 is an elevational view of the inlet side of the compressor impeller shown in FIG. 1.
Fig. 5 is a partial view showing a development of a projection of the wheel onto a cylinder coaxial therewith.
Fig. 6 is a schematic view illustrating the control elements of this embodiment of the engine.
The turbocharger shown in fig. 1 to 3 comprises a rigid part formed by two aluminum moldings, one designated by 2 comprising a casing 4 of the left bearing and the other being designated by 6 and having, produced with it, a casing 8 from the right landing. Part 6 has the general shape of a spider fixed to part 2 by bolts 10. A metal cylinder 12 comprises an annular flange 16 clamped between parts 2 and 6 and supports a metal annular member 14 which is held in position. by screws 18.
The cylinder 12 is clamped on a ceramic filler 20 in which is retained (by a dowel not shown) a ceramic filler plug 22, these two elements of a refractory material being separated simply to facilitate assembly. The ceramic 20 provides a vortex space 24 without a vane, for the supply of drag gas from the engine E to the turbine blade, this space comprising, as indicated in particular in FIG. 3, nozzles 26 for directing the entraining gases through space 24 at a high velocity in a tangential direction.
The cylinder 12 is provided with openings 28 aligned with the inlets of the nozzles 26, the engine exhaust manifold 30 being attached to the cylinder.
The filling material 20 and the member 14 form between them an annular diffuser 32 without a blade for the gases escaping from the turbine. The diffuser provides the gases with a radially outward directed flow component and delivers these gases through a conduit 34 which can bring them to a desired exhaust point.
A filling member 36 serves in part to delimit the air passages and is fixed in the molded part 2. This filling member 36 is made of a heat resistant plastic material. The plastic material can be used here for reasons of lightness and thanks to the fact that the air temperatures do not exceed 1900, very good insulation being produced between the turbine and the compressor by the ceramic materials 20 and 22.
The filler 36 together with the adjacent ceramic surfaces provides a radially extending bladeless diffuser 38 from which the compressed air is discharged into a spiral 39 from where it is supplied through a conduit 40 to the air. motor inlet manifold E. This diffuser has a ratio of the outlet diameter (at its discharge point in the spiral 39) to the inlet diameter (at the point of discharge of the air at the periphery of the impeller compressor) equal to at least 2.
The vortex flow passage 42 is provided between the part 2 and the filler 36, this passage being intended for the air approaching the compressor wheel, and the flow being radially towards the compressor wheel. interior from an annular inlet 44 open to the atmosphere or to an air filter and being deflected axially to enter the compressor blade. Vanes 46 are located in the pitch 42 and are angularly adjustable to impart a vortex to the incoming air.
These blades are carried by individual shafts 48 journalled in the part 2, each shaft carrying at its outer end a pinion 50 on which passes a chain 52 intended for the simultaneous drive of all the shafts. One of these pinions is provided with an arm 54 to which control links are attached as described below.
The turbine rotor 56 carries vanes 57 which will be described in detail later. This rotor came from manufacture with a shaft 58 provided with an extension 60 at its left end which carries a hub 62 of the compressor wheel. The compressor blade comprises blades, each of which is formed of two sections 66 and 68.
Shaft extensions 70 and 72 are mounted in slightly tapered bores 74, 76, respectively, of the rotor shaft. Each of the wise hazards flares outwards from its cylindrical inner end for the purpose which will be explained later. The tapers have been exaggerated in fig. 1 for clarity of the drawing.
The left extension of the shaft is mounted in a ball bearing 78, the shaft itself providing the inner raceway for the bearing balls. The outer rolling path is elastically mounted by means of a leaf spring element 80, of poly gonal shape intended to bend under the effect of radial forces. The mounting of the ball bearing is sealed by means of a seal 84 and a separator member 82.
Lubricant is enclosed at 86 in a cap 88 which forms with a member 90 an annular space in which the outer race of the ball bearing is placed. A labyrinth type air seal is formed at 92 on the left side of shaft 58. Openings 94 for supplying air to the region to the right of the ball bearing are provided. formed in 94. The ball bearing is held in the casing 4 by means of an elastic ring with release 96.
The end of the turbine shaft is provided with an assembly similar to that which has just been described, this assembly comprising a roller bearing generally designated 98, of which the internal race is formed. by the extension of the shaft 72, while the outer raceway is elastically mounted by means of a spring 100 similar to that described above. A seal 104 serves to close the bearing and lubricant is enclosed at 106 in a cap 108, a spacer 102 being provided between the bearing and the lubricant. The cap 108 with the member 110 serves to provide the annular space for the bearing. The assembly is retained in the casing 8 by means of an elastic ring 112.
An air labyrinth is arranged at 114.
The incoming air exhibits a large degree of billon turn which is allotted to it and which results in deviations of the flow angle with respect to the compressor wheel from the inlet angles of the compressor blades, deviations which greatly exceed the permissible variations using the usual vane construction. The inlet vortex force, including the product of the peripheral component of the absolute velocity of the incoming air at any radius times the peripheral velocity of the inlet edge of the compressor wheel at the same radius, can vary. from a negative value to a positive value which, in some cases, may exceed the value of the vortex force at the output of the compressor wheel.
The vortex flow occurs in passage 42 as a result of the guide vanes, so that the force of the vortex at any radius from the inlet edge of the compressor vane is constant.
To provide a smooth flow despite the variations noted above, deflection of the flow by means of boundary layer agitation is used so as to cause a smooth flow between the compressor impeller vanes across. the entire air passage from the inlet to the outlet of the compressor. In order to effect this boundary layer agitation, it is necessary to have available a positive or negative pressure to provide a flow deflection.
The inlet flow established at the inlet of the compressor wheel is a free swirling flow thanks to the presence of guide vanes 46 producing a centrifugal effect and by the considerable radial distance of the passage 42, this flow being characterized. by a constant value of the product of the peripheral component of the absolute speed by the radius from the axis of rotation. At the same time, a very curved flow occurs in the vicinity of the entry of the impeller in the meridian direction, having a large meridian component of the flow velocity at the exit of the inlet opening and a meridian component. relatively small in flow velocity around the wheel hub.
By using helical vanes having all radial members, the inlet angle distribution problem is solved by extending the inlet edge portions of the vanes as shown at 67 so that the inlet edges extend over a cone around the axis of rotation rather than in a radial plane. Axial sections of the approach flow passage are curved so that the radii of curvature of the outer and inner walls of these sections have their centers located on such a cone. The entry edges of the blade are then orthogonal to the walls of the approach passage, thus providing high efficiency.
The compressor impeller actually has thick vanes that function as if they were shaped and rounded at their inlet and outlet edges to provide a smooth airfoil, i.e., functioning as if they had one end. rounded entry edge as indicated by dotted line 116 and a rounded exit edge as indicated by dotted line 115.
In fact, this thick blade is in the form of a shell which has two walls 66 and 68 (FIG. 5) forming between them openings at 117 and 118 (FIGS. 4 and 5). The opening 117 is provided such that the respective vane walls 66 and 68 of a single vane terminate at their inlet edges 67 and 69 such that those edges at any radius terminate on a surface which is approximately normal to the inlet air flow passage.
It is evident that the inlet edge 69 of the driving part 68 of the blade extends axially beyond the inlet edge 67 of the blade wall 66 in the direction of flow of the blade. 'air. It will be noted that the inlet edge 67 which has already been discussed extends in a cone around the axis of rotation and is orthogonal to the flow while the inlet edge 69 of the blade wall 68 is radial (or at least approximately radial) being also orthogonal to the flow which reaches it.
A similar condition is found at the outlet opening 118 such that the outlet edge of the blade wall 66 terminates near the outlet edge of the blade wall 68 in the direction of air flow. , the end of the first-mentioned part therefore being located at a smaller radius than the radius of the last part from the axis of rotation. As a result, each vane of the impeller has a passage between these walls 66 and 68 which has an inlet at 117 and an outlet at 118. The flow of air with respect to the impeller between the vane walls 66 and 68 of the same blade has an S-shape, while that between adjacent blades has only one curvature.
In this construction, due to the centrifugal action, a pressure drop occurs causing a forced flow 119 through the opening 117 and between the blade sections with discharge at 118. The forced curvature of the The resulting flow at 117 if necessary causes a flow curvature between the vanes so that a stirred boundary layer is produced along the concave side of the vane section 66. It is on this side of this. vane section that a flow separation occurs from the vane during opposite flow angle conditions.
We will now describe a control of the internal combustion engine with a turbocharger shown in FIG. 6 and used in a vehicle. This E engine is of the spark ignition type. The turbocharger partially shown in fig. 6 is identical to that described above. The arm 54 controlling the vanes 46 is connected by a rod 130 and an elbow lever 132 to an accelerator button 134 which can be depressed by the foot of the operator of the vehicle.
When the throttle button is not depressed, the vanes 46 are in the closed position, i.e. so as to give a maximum peripheral component of the flow to the incoming air, thereby producing a flow driving component for the compressor wheel which, under these conditions, acts as a turbine to help maintain acceptable turbine-compressor rotor speed.
The engine is then in the no-load condition, its setting being such that it continues to run but under conditions providing subatmospheric pressure in the intake manifold and therefore at the compressor outlet represented by the passage 40. Between passage 40 and the intake manifold of engine E, indicated at 140, is a venturi 136 providing, as part of a carburettor, the suction of fuel from the carburetor chamber designated by. 138, this chamber receiving fuel from the line 139 of the fuel pump.
The engine E exhaust manifold shown at 142 and 144 designates a cylinder. Means of ignition by spark plugs are not shown. A device 146 comprising a diaphragm 148 separating upper and lower chambers is provided to improve control, the upper chamber being connected by a pipe 150 to the throttle of the vent, the lower chamber by a pipe 152 to the passage 40. sliding rod 154 connected to diaphragm 148 controls a lever 156 which interposes a stop cam 158 in the path of the upward movement of the outer end of arm 54.
Under the idling conditions which have just been described, the stop cam 158 has its main action of limiting the movement of the arm 54, mechanically preventing a partial opening of the blades 46.
If now it is desired to increase the output power of the engine, the driver presses the button 134 further opening the vanes 46.1st movement being limited by the stop cam <B> 158. </B> This movement of the vanes decreases the round bill component of flow approaching the compressor wheel by increasing the pressure ratio and air flow to the intake manifold. The fuel supply device delivers more fuel to the engine increasing its power output. This increases the energy contained in the exhaust gases as well as the quantity of these gases so that the input power of the turbine is increased.
With this increased air flow, the stop cam 158 is tilted in one direction to allow subsequent opening of the vanes 46. This action is gradual but can take place in a very short time so that if it is desired, the engine can be brought without appreciable delay to full power output and maximum speed, thereby achieving optimum turbine drive and maximum pressure ratio development, as well as gas flow. air supplied accordingly by the compressor.
The vortex component of the incoming air being reduced to zero or even reversed opposes the rotation of the compressor wheel. The purpose of stop cam 158 is simply to prevent the compressor from supplying more air than the engine can suck during the initial phase of its acceleration. When the output power has to be reduced, the accelerator button is released which causes the reverse sequence of device operations. It will be noted here that the cam 158 is only used for motors operating over a wide range of speeds.
At low engine speeds, the engine can only suck in a small amount of air and if the guide vanes were suddenly opened, violent pulsations would appear in the compressor, absorbing power such as the turbine. would slow down. The stop limits the opening of the guide vane to the point where the compressor can deliver the maximum flow without pulsation and without excessive energy consumption.
In general, it is desirable to control the speed and power output of spark ignition engines by controlling the air flow by means of the inlet guide vanes of the compressor and indirectly controlling the amount of fuel by means of the compressor inlet guide vanes. a known device (such as a carburetor) which measures the quantity of air supplied to the engine and automatically adjusts the proportions of fuel to the latter, so that the air-fuel ratio is correct and constant.
In diesel engines which always operate with an appreciable surplus of air and where it is not necessary to maintain the air-fuel ratio constant, the fuel flow can be controlled directly and any control used for this purpose can also be controlled. serve to actuate the inlet guide vanes of the compressor as long as the control of fuel flow and the position of the guide vanes is carried out such that the turbocharger operates at a sufficiently high speed as has been described.