FR2905409A1

FR2905409A1 - Supercharged centrifugal compressor driving device for internal combustion engine, has pulley with flange movable by electrovalve to vary transmission ratio so that compressor produces constant pressure during low rate functioning of engine

Info

Publication number: FR2905409A1
Application number: FR0653520A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Noel
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-07
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: FR2905409B1

Abstract

The device has a transmission (7) including a speed regulator with drive and driven pulleys (8, 9) respectively connected to a crankshaft (6) of an internal combustion engine and a drive shaft (1) of a wheel (2) of a supercharged centrifugal compressor. The driven pulley has a mobile flange (9a) axially movable with respect to a fixed flange (9b) by a proportional hydraulic electrovalve for varying a transmission ratio between the crankshaft and the drive shaft such that the compressor produces a constant super-charged pressure during low rate functioning of the engine.

Description

1 "Dispositif d'entraînement d'un compresseur centrifuge de1 "Device for driving a centrifugal compressor of

suralimentation d'un moteur à combustion interne notamment d'un véhicule automobile". supercharging of an internal combustion engine including a motor vehicle.

La présente invention concerne un dispositif d'entraînement d'un compresseur centrifuge de suralimentation d'un moteur à combustion interne notamment d'un véhicule automobile. Dans le domaine de l'automobile, il existe plusieurs procédés de suralimentation des moteurs à combustion interne ayant tous les uns par rapport aux autres des avantages et des inconvénients et ceux-ci, au fil du temps et des études, ont été réalisés avec plus ou moins d'efficacité. The present invention relates to a drive device for a centrifugal supercharger compressor of an internal combustion engine including a motor vehicle. In the automotive field, there are several processes for over-fueling internal combustion engines which have advantages and disadvantages in relation to one another and these, over time and in the course of studies, have been realized with more or less effective.

L'invention s'adresse plus particulièrement à la suralimentation du moteur à combustion interne par compresseur mécanique. Actuellement, trois types de compresseurs mécaniques sont connus: le compresseur Roots datant de 1860, le compresseur à vis utilisé seulement dans certains véhicules commercialisés; et le compresseur centrifuge utilisé notamment dans des moteurs d'avion et de dragsters. The invention is more particularly directed to the supercharging of the internal combustion engine by a mechanical compressor. Currently, three types of mechanical compressors are known: the Roots compressor dating from 1860, the screw compressor used only in certain commercial vehicles; and the centrifugal compressor used in particular in aircraft engines and dragsters.

Le compresseur de Roots est celui qui présente le moins bon rendement, d'environ 65 pour cent au maximum, alors que les deux autres types de compresseur ont leur rendement s'étalant d'environ 65 à 80 pour cent. Le compresseur centrifuge a sa roue d'une forme très proche de celle des turbocompresseurs actuels de moteurs à combustion interne du fait que ces turbo compresseurs ne sont que des compresseurs centrifuges entraînés par les gaz d'échappement du moteur. Cependant, leurs vitesses de rotation sont complètement différentes puisqu'elles vont jusqu'à 70 000 tours par minute pour le compresseur centrifuge et de 90 000 à 320 000 tours par minute pour le turbocompresseur. The Roots compressor has the lowest efficiency, about 65 percent maximum, while the other two compressor types have efficiencies ranging from about 65 to 80 percent. The centrifugal compressor has its wheel of a shape very close to that of the current turbochargers of internal combustion engines because these turbo compressors are only centrifugal compressors driven by the engine exhaust gas. However, their rotation speeds are completely different since they go up to 70,000 revolutions per minute for the centrifugal compressor and from 90,000 to 320,000 revolutions per minute for the turbocharger.

2905409 2 Néanmoins, un moteur à combustion interne équipé d'un compresseur mécanique centrifuge n'est pas idéal en terme d'agrément et de couple à bas régime de fonctionnement du moteur. En effet, le dimensionnement du 5 compresseur centrifuge doit tenir compte du débit d'air maximal demandé par le moteur. Du coup, le compresseur atteindra sa vitesse maximale et sa pression de suralimentation en fonction de son rapport d'entraînement uniquement lorsque le moteur fonctionnera au voisinage 10 d'un régime bien déterminé, en général son régime de puissance. C'est la raison pour laquelle le compresseur centrifuge a été très utilisé sur les moteurs thermiques d'avion de la seconde guerre mondiale et sur les moteurs industriels à régime stationnaire, du fait que leur 15 variation de régime de fonctionnement était très réduite. Par contre, lorsque le moteur tourne à bas régime, la vitesse de rotation du compresseur n'est pas suffisamment élevée pour créer une pression de suralimentation suffisante au moteur. Un moteur équipé 20 d'un tel compresseur n'est donc appréciable qu'à fonctionnement à haut régime. De plus, à pleine charge du moteur, la variation de pression de suralimentation en fonction du régime varie de façon plutôt parabolique voir exponentielle, rendant du coup la conduite d'un véhicule 25 équipé de ce genre de compresseur, pour peu qu'il possède une puissance suffisante, assez brutale. Pour palier cet inconvénient, la solution consisterait à rapprocher le fonctionnement du compresseur centrifuge de celui d'un turbo compresseur, 30 c'est-à-dire obtenir une pression de suralimentation donnée dès le fonctionnement à bas régime du moteur et la garder constante jusqu'au régime maximum de ce moteur. A cet effet, on a cherché à intercaler une boîte de vitesse entre une poulie menée, dans le cas d'un 35 entraînement par courroie, et l'axe d'entraînement de la roue de compresseur centrifuge. Cependant, cette solution a pour inconvénients d'augmenter considérablement 2905409 3 l'encombrement du compartiment moteur du véhicule et de ne pas pouvoir faire varier en continu la vitesse de rotation du compresseur. La présente invention a pour but d'éliminer les 5 inconvénients ci-dessus en proposant une solution fiable permettant de faire varier la vitesse du compresseur centrifuge sur toute la plage d'utilisation du moteur de manière que pour chaque couple de valeurs débit massique/pression, il existe une vitesse de rotation 10 correspondante du compresseur. A cet effet, selon l'invention, le dispositif d'entraînement d'un compresseur centrifuge de suralimentation d'un moteur à combustion interne notamment d'un véhicule automobile, comprenant une 15 transmission reliant l'arbre vilebrequin du moteur à l'arbre d'entraînement de la roue de compresseur centrifuge, est caractérisé en ce que la transmission comprend un variateur de vitesse à deux poulies respectivement motrice solidaire de l'arbre de 20 vilebrequin et réceptrice solidaire de l'arbre d'entraînement de la roue du compresseur et courroie montée en boucle sans fin sur les deux poulies, au moins l'une des poulies motrice et réceptrice ayant l'un de ses flasques axialement mobile relativement à l'autre flasque 25 fixe de la poulie sous l'action d'un moyen de pilotage de manière à varier le rapport de transmission entre l'arbre vilebrequin et l'arbre d'entraînement de la roue du compresseur de façon que le compresseur puisse produire une pression de suralimentation relativement constante 30 dès le fonctionnement à bas régime du moteur. De préférence, un calculateur détermine le rapport de transmission en fonction du régime et de la charge du moteur et commande le moyen de pilotage pour déplacer le flasque mobile de la poulie à sa position correspondant 35 au rapport de transmission déterminé pour entraîner l'arbre de la roue du compresseur à une vitesse de rotation de consigne selon une cartographie prédéfinie et 2905409 4 correspondant à la pression de suralimentation relativement constante. Le calculateur est relié à un capteur de vitesse de rotation de l'arbre d'entraînement du compresseur pour 5 qu'il vérifie si la vitesse de consigne a été atteinte. Avantageusement, le moyen de pilotage est une électrovanne hydraulique proportionnelle. Selon une variante de réalisation, les deux poulies motrice et réceptrice ont chacune l'un de leurs flasques 10 mobile relativement à l'autre sous la sollicitation du moyen de pilotage pour autoriser une plage élevée du rapport de transmission. La courroie de transmission est à section transversale trapézoïdale.However, an internal combustion engine equipped with a centrifugal mechanical compressor is not ideal in terms of approval and torque at low engine operating speed. Indeed, the design of the centrifugal compressor must take into account the maximum air flow required by the engine. As a result, the compressor will reach its maximum speed and boost pressure as a function of its drive ratio only when the engine will operate in the vicinity of a specific regime, generally its power regime. For this reason, the centrifugal compressor has been widely used on WWII aircraft engine engines and stationary-mode industrial engines because their operating speed variation was very small. On the other hand, when the engine is running at low speed, the speed of rotation of the compressor is not high enough to create sufficient boost pressure to the engine. An engine equipped with such a compressor is therefore appreciable only at high speed operation. In addition, at full load of the engine, the variation of boost pressure depending on the speed varies rather parabolic or exponential, making suddenly the driving of a vehicle equipped with this kind of compressor, if it has sufficient power, quite brutal. To overcome this drawback, the solution would be to bring the operation of the centrifugal compressor closer to that of a turbo compressor, that is to say obtain a given supercharging pressure from the low-speed operation of the engine and keep it constant until at the maximum speed of this engine. For this purpose, it was sought to interpose a gearbox between a driven pulley, in the case of a belt drive, and the drive shaft of the centrifugal compressor wheel. However, this solution has the disadvantage of considerably increasing the size of the engine compartment of the vehicle and not being able to continuously vary the speed of rotation of the compressor. It is an object of the present invention to overcome the above disadvantages by providing a reliable solution for varying the speed of the centrifugal compressor over the entire range of use of the engine so that for each pair of mass flow / pressure values , there is a corresponding rotational speed of the compressor. For this purpose, according to the invention, the drive device of a centrifugal supercharging compressor of an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, comprising a transmission connecting the crank shaft of the engine to the shaft The centrifugal compressor wheel drive mechanism is characterized in that the transmission comprises a speed variator with two pulleys respectively drive integral with the crank shaft and receiver integral with the drive shaft of the compressor wheel. and belt mounted in an endless loop on both pulleys, at least one of the driving and receiving pulleys having one of its flanges axially movable relative to the other fixed flange 25 of the pulley under the action of a means in order to vary the transmission ratio between the crankshaft and the compressor wheel drive shaft so that the compressor can produce a supercharging pressure. the constant constant 30 at low engine speed. Preferably, a computer determines the transmission ratio as a function of engine speed and load and controls the control means to move the movable flange of the pulley to its position corresponding to the determined transmission ratio to drive the engine shaft. the compressor wheel at a set speed of rotation according to a predefined map and 2905409 4 corresponding to the relatively constant boost pressure. The computer is connected to a rotational speed sensor of the compressor drive shaft to check whether the target speed has been reached. Advantageously, the control means is a proportional hydraulic solenoid valve. According to an alternative embodiment, the two driving and receiving pulleys each have one of their flanges 10 movable relative to the other under the load of the control means to allow a high range of the transmission ratio. The drive belt is trapezoidal in cross section.

15 L'invention vise également un moteur à combustion interne pour véhicule, tel qu'un véhicule automobile, comprenant un compresseur centrifuge de suralimentation du moteur, et qui est caractérisé en ce que le compresseur centrifuge est accouplé à l'arbre vilebrequin 20 du moteur par le dispositif d'entraînement tel que défini précédemment. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description 25 explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 représente le dispositif de 30 l'invention permettant d'entraîner un compresseur centrifuge de suralimentation d'un moteur à combustion interne et occupant un rapport de transmission élevé, et - la figure 2 représente le dispositif de la figure 1 à un rapport de transmission faible.The invention also relates to an internal combustion engine for a vehicle, such as a motor vehicle, comprising a centrifugal supercharger compressor of the engine, and which is characterized in that the centrifugal compressor is coupled to the crank shaft 20 of the engine by the drive device as defined above. The invention will be better understood, and other objects, features, details and advantages thereof will become more clearly apparent in the following explanatory description made with reference to the accompanying diagrammatic drawings given solely by way of example illustrating a preferred embodiment of the invention. embodiment of the invention and in which: - Figure 1 shows the device of the invention for driving a centrifugal supercharger compressor of an internal combustion engine and occupying a high transmission ratio, and - the figure 2 shows the device of FIG. 1 at a low transmission ratio.

35 En se reportant aux figures 1 et 2, la référence 1 désigne l'arbre d'entraînement de la roue 2 d'un 2905409 5 compresseur centrifuge de suralimentation d'un moteur à combustion interne notamment d'un véhicule automobile. Bien que cela ne soit pas représenté, l'arbre d'entraînement 1 de la roue 2 est monté à rotation sur 5 des paliers solidaires d'un carter du moteur. L'arbre 1 est solidaire à son extrémité opposée comportant la roue 2 d'un pignon mené 3 en engrènement avec un pignon menant 4 solidaire d'un arbre intermédiaire d'entraînement 5.Referring to FIGS. 1 and 2, numeral 1 denotes the drive shaft of the wheel 2 of a supercharging centrifugal compressor of an internal combustion engine, particularly of a motor vehicle. Although not shown, the drive shaft 1 of the wheel 2 is rotatably mounted on bearings integral with a motor housing. The shaft 1 is secured at its opposite end having the wheel 2 of a driven pinion 3 in meshing with a driving pinion 4 integral with an intermediate drive shaft 5.

10 L'arbre 5 du pignon menant 4 est accouplé à l'arbre vilebrequin 6 du moteur à combustion interne par l'intermédiaire d'un dispositif de transmission 7 à variateur de vitesse conforme à l'invention. Le dispositif de transmission 7 comprend une poulie 15 motrice 8 portée en bout de l'arbre vilebrequin 6 et une poulie réceptrice 9 portée par l'arbre intermédiaire 5 à proximité du pignon menant 4. Le dispositif 7 comprend en outre une courroie 10 à section transversale trapézoïdale montée en boucle sans 20 fin sur les deux poulies 8, 9. L'un des deux flasques 9a, 9b de la poulie réceptrice 9, par exemple le flasque 9b adjacent au pignon 4, est solidaire en rotation et en translation de l'arbre 5, tandis que l'autre flasque, par exemple le 25 flasque 9a, est solidaire en rotation de l'arbre 5 mais peut coulisser le long de celui-ci relativement au flasque fixe 9b. Les deux flasques 8a, 8b de la poulie motrice 8 sont solidaires en rotation et en translation de l'arbre 30 vilebrequin 6. Le flasque mobile 9a de la poulie 9 est déplaçable de façon à se rapprocher ou s'éloigner de flasque fixe 9b par un moyen de pilotage, non représenté, pouvant être constitué par une électrovanne hydraulique 35 proportionnelle. Le moyen de pilotage, en déplaçant le flasque mobile 9a relativement au flasque fixe 9b de la poulie 9 2905409 6 permet de faire varier le rapport de transmission entre l'arbre vilebrequin 6 et l'arbre d'entraînement 1 de la roue 2 du compresseur centrifuge de façon que ce dernier puisse produire une pression de suralimentation 5 relativement constante dès le fonctionnement à bas régime du moteur. La figure 1 montre la position du flasque mobile 9a la plus rapprochée du flasque fixe 9b de la poulie 9 et à laquelle la courroie 10 est enroulée suivant un grand 10 diamètre d'enroulement sur la poulie réceptrice 9, ce qui correspond à la plus grande démultiplication ou au rapport de transmission le plus élevé. La figure 2 représente la position du flasque mobile 9a la plus éloignée du flasque fixe 9b de la 15 poulie 9 et à laquelle la courroie de transmission 10 est enroulée suivant un petit diamètre d'enroulement sur la poulie réceptrice 9, ce qui correspond à la plus petite démultiplication ou au rapport de transmission le plus faible.The shaft 5 of the driving gear 4 is coupled to the crankshaft 6 of the internal combustion engine by means of a transmission device 7 with a variable speed drive according to the invention. The transmission device 7 comprises a driving pulley 8 carried at the end of the crank shaft 6 and a receiving pulley 9 carried by the intermediate shaft 5 in the vicinity of the driving gear 4. The device 7 further comprises a belt 10 with a section trapezoidal cross-section mounted in endless loop on the two pulleys 8, 9. One of the two flanges 9a, 9b of the receiving pulley 9, for example the flange 9b adjacent to the pinion 4, is integral in rotation and in translation with the 5, while the other flange, for example the flange 9a, is integral in rotation with the shaft 5 but can slide along it relative to the fixed flange 9b. The two flanges 8a, 8b of the driving pulley 8 are integral in rotation and in translation with the crankshaft shaft 6. The movable flange 9a of the pulley 9 is movable so as to move towards or away from the fixed flange 9b by a control means, not shown, which can be constituted by a proportional hydraulic solenoid valve. The control means, by moving the mobile flange 9a relatively to the fixed flange 9b of the pulley 9 2905409 6 allows to vary the transmission ratio between the crankshaft 6 and the drive shaft 1 of the wheel 2 of the compressor centrifugal so that the latter can produce a relatively constant boost pressure when operating at low engine speed. FIG. 1 shows the position of the movable flange 9a closest to the fixed flange 9b of the pulley 9 and to which the belt 10 is wound in a large winding diameter on the receiving pulley 9, which corresponds to the largest gear ratio or the highest gear ratio. FIG. 2 shows the position of the movable flange 9a furthest from the fixed flange 9b of the pulley 9 and to which the transmission belt 10 is wound in a small winding diameter on the receiving pulley 9, which corresponds to the smaller gear ratio or the lowest gear ratio.

20 Ce variateur de vitesse permet donc, au cours de la montée en régime du moteur, d'adapter la vitesse de rotation de l'arbre d'entraînement 1 de la roue 2 du compresseur centrifuge de façon à produire une pression de suralimentation constante et ce dès les plus bas 25 régime de fonctionnement de ce moteur. En effet, lorsque le flasque mobile 9a de la poulie réceptrice 9 s'éloigne du flasque fixe 9b, le diamètre d'enroulement de la courroie 10 sur la poulie réceptrice 9 diminue, réduisant par conséquent le rapport de démultiplication de 30 l'ensemble. Ainsi, pour une vitesse constante de la poulie motrice 8, la vitesse du compresseur augmente. Pour abaisser cette vitesse, il suffit de procéder de façon inverse en rapprochant, par le moyen de pilotage, le flasque mobile 9a du flasque fixe 9b de la poulie 9.This speed variator therefore makes it possible, during the ramping up of the engine, to adapt the speed of rotation of the drive shaft 1 of the wheel 2 of the centrifugal compressor so as to produce a constant supercharging pressure and this from the lowest 25 operating speed of this engine. Indeed, when the movable flange 9a of the receiving pulley 9 moves away from the fixed flange 9b, the winding diameter of the belt 10 on the receiving pulley 9 decreases, thereby reducing the gear ratio of the assembly. Thus, for a constant speed of the driving pulley 8, the speed of the compressor increases. To lower this speed, it suffices to proceed in the opposite way by bringing the moving flange 9a of the fixed flange 9b of the pulley 9 closer together by the control means.

35 De préférence, un calculateur embarqué au véhicule détermine, en fonction du régime et de la charge imposés au moteur, le rapport de démultiplication adéquat entre 2905409 7 l'arbre vilebrequin 6 et l'arbre d'entraînement 1 de la roue 2 du compresseur centrifuge de façon à obtenir la bonne vitesse de consigne de rotation de ce compresseur selon une cartographie prédéfinie. Avantageusement, un 5 capteur de vitesse de rotation de l'arbre d'entraînement 1 du compresseur est relié au calculateur embarqué pour qu'il contrôle si la vitesse de consigne a été atteinte. Selon une variante de réalisation, les deux poulies motrice 8 et réceptrice 9 ont chacune l'un 8a, 9a de 10 leurs flasques 8a, 8b; 9a, 9b qui est mobile relativement à l'autre sous la sollicitation du moyen de pilotage commandé par le calculateur embarqué de manière à autoriser une plage élevée du rapport de transmission entre l'arbre vilebrequin 6 et l'arbre 1 d'entraînement 15 de la roue de compresseur 2. Le dispositif d'entraînement de l'invention est d'une conception extrêmement simple, efficace et peu encombrante.Preferably, an on-board computer determines, according to the speed and the load imposed on the engine, the appropriate gear ratio between the crankshaft 6 and the drive shaft 1 of the compressor wheel 2. centrifuged so as to obtain the correct rotation speed reference speed of this compressor according to a predefined cartography. Advantageously, a rotational speed sensor of the drive shaft 1 of the compressor is connected to the on-board computer so that it checks whether the target speed has been reached. According to an alternative embodiment, the two driving pulleys 8 and receiver 9 each have one 8a, 9a of their flanges 8a, 8b; 9a, 9b which is movable relative to the other under the load of the control means controlled by the onboard computer so as to allow a high range of the transmission ratio between the crankshaft 6 and the drive shaft 1 15 the compressor wheel 2. The drive device of the invention is of an extremely simple design, efficient and compact.

Claims

1. A device for driving a centrifugal supercharging compressor of an internal combustion engine, especially a motor vehicle, comprising a transmission (7) connecting the crank shaft (6) of the engine to the drive shaft (1) of the wheel (2) of the centrifugal compressor, characterized in that the transmission (7) comprises a variable speed drive with two pulleys (8, 9) respectively driving (8) integral with the crankshaft (6) and receiver (9) integral with the drive shaft (1) of the compressor wheel (2) and belt (10) endlessly mounted on the two pulleys (8, 9), at least one (9). ) driving and receiving pulleys (8, 9) having one (8a; 9a) of its flanges (8a, 8b; 9a, 9b) axially movable relative to the other fixed flange (8b; 9b) of the pulley under the action of a control means so as to vary the transmission ratio between the crankshaft (6) and the drive shaft (1) of the compressor wheel (2). it is possible for the compressor to produce a relatively constant boost pressure as soon as the engine is running at low speed.

2. Device according to claim 1, characterized in that a computer determines the transmission ratio as a function of engine speed and load and controls the control means for moving the movable flange (8a; 9a) of the pulley ( 8; 9) at its position corresponding to the transmission ratio determined for driving the shaft (1) of the compressor wheel (2) to a set rotation speed according to a predefined cartography and corresponding to the relatively constant boost pressure.

3. Device according to claim 2, characterized in that the computer is connected to a speed sensor of the drive shaft of the compressor to verify that the target speed has been reached.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control means 5 is a proportional hydraulic solenoid valve.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the two driving and receiving pulleys (8, 9) each have one (8a, 9a) of their relatively movable flanges (8a, 8b; 9a, 9b). to the other under the bias of the control means to allow a high range of the transmission ratio.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission belt (10) is trapezoidal cross section.

7. Internal combustion engine for a vehicle, such as a motor vehicle, comprising a centrifugal supercharger compressor of the engine, characterized in that the centrifugal compressor is coupled to the crank shaft (6) of the engine by the device drive as defined in one of the preceding claims.