FR2944322A1 - Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur a combustion interne avec un etage d'entrainement d'un turbocompresseur comportant au moins deux turbines - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne comportant un turbocompresseur (10) comprenant un étage compression (12) avec un compresseur (18), un étage d'entraînement (14) de l'étage de compression et des moyens de contrôle (16) de la circulation des gaz d'échappement au travers de l'étage d'entraînement. Selon l'invention, l'étage d'entraînement comprend au moins deux turbines (26, 28) dont les arbres de transmission de mouvement (52, 54) sont reliés audit compresseur par un dispositif de variation de vitesse (56).

Description

La présente invention se rapporte à un dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne.

Cette invention s'applique plus particulièrement à des moteurs à autoallumage de type Diesel mais peut aussi s'appliquer à des moteurs à allumage commandé de ceux du type Essence.

Comme cela est largement connu, la puissance délivrée par un moteur à combustion interne est tributaire de la quantité d'air introduite dans la chambre de combustion de ce moteur. Pour pouvoir augmenter cette quantité, il est généralement réalisé une compression de l'air avant qu'il ne soit admis dans le moteur. Cette quantité d'air est donc augmentée de manière proportionnelle à la densité de cet air avant son introduction dans le cylindre du moteur.

Cette compression se réalise le plus souvent par un turbocompresseur qui comprend un étage de compression, ou compresseur, contrôlé par un étage d'entraînement, comprenant le plus généralement une turbine. De manière habituelle, cette turbine est balayée par les gaz d'échappement sous pression issus du moteur en étant entraînée en rotation.

Cette rotation est ensuite transmise directement au compresseur par un arbre de transmission de mouvement. C'est donc l'énergie contenue dans la détente des gaz d'échappement qui permet d'entraîner en rotation cette turbine. L'ampleur de la pression de l'air sortant du compresseur est directement tributaire de la puissance restituée par la détente des gaz d'échappement sur la turbine et de sa vitesse de rotation.

Cependant, lorsque le moteur fonctionne à charges moyennes, notamment avec une forte demande de puissance, l'énergie contenue dans les gaz d'échappement n'est pas suffisante pour entraîner la turbine à une vitesse de rotation suffisante de manière à ce que le compresseur puisse générer un air suralimenté à la pression requise permettant de répondre à la demande de puissance.

Pour pouvoir résoudre ce problème, il est connu d'accoupler un dispositif auxiliaire d'entraînement, comme un moteur électrique, à l'arbre de transmission entre la turbine et le compresseur. Ce dispositif permet ainsi d'augmenter rapidement la vitesse de rotation de la turbine et de pouvoir répondre à la demande de puissance.

Cependant un tel dispositif est d'un encombrement non négligeable et 10 d'un coût très élevé, notamment de par la nécessité de le connecter à un circuit électrique de commande et de puissance du moteur électrique. De plus, lors de son utilisation, il est fortement consommateur de courant électrique, ce qui peut nuire à l'alimentation électrique des autres dispositifs électriques présents sur ce moteur ou dans le véhicule. 15 Il est également connu, notamment par le document FR 2 876 151, de relier l'arbre d'entraînement du compresseur, soit à la turbine en étant contrôlé par un premier embrayage, soit au vilebrequin du moteur à combustion interne avec une transmission à engrenages et un deuxième embrayage. 20 De ce fait, pour obtenir une première vitesse de rotation du compresseur, il est réalisé un accouplement entre le vilebrequin du moteur et le compresseur et un débrayage du premier embrayage. Pour réaliser une autre vitesse de rotation du compresseur (généralement plus élevée), le premier embrayage est débrayé et la liaison de transmission de mouvement entre la turbine et le 25 compresseur est réalisée par le premier embrayage.

Cette réalisation est d'une élaboration compliquée et d'un coût élevé compte tenu du grand nombre d'éléments pour l'entraînement du compresseur. De plus, il est nécessaire de disposer d'un circuit de contrôle des 30 embrayages pour les actionner en fonction de la demande de puissance. En outre, l'entraînement du compresseur par le vilebrequin du moteur nécessite de prélever de l'énergie sur ce moteur en pénalisant son rendement.5 Lors de l'actionnement de l'un ou l'autre des embrayages, il se produit une rupture dans la transmission du mouvement de rotation entre la turbine et le compresseur ainsi qu'entre le vilebrequin et le compresseur. Ceci peut entraîner des à-coups du compresseur qui peuvent nuire à son fonctionnement.

Enfin, ce système de permet pas de s'affranchir de la taille de la turbine qui n'est pas adaptée à tous les points de fonctionnement.

La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci dessus grâce à un dispositif de suralimention de conception 10 simple et pouvant répondre à toutes les demandes de puissance.

A cet effet, la présente invention concerne un dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne comportant un turbocompresseur comprenant un étage de compression avec un compresseur, 15 un étage d'entraînement de l'étage de compression et des moyens de contrôle de la circulation des gaz d'échappement au travers de l'étage d'entraînement, caractérisé en ce que l'étage d'entraînement comprend au moins deux turbines dont les arbres de transmission de mouvement sont reliés audit compresseur par un dispositif de variation de vitesse. 20 Avantageusement, le dispositif de variation de vitesse peut comprendre un train épicycloïdal.

Le train épicycloïdal peut comprendre un porte-satellite relié fixement à 25 l'arbre de transmission de mouvement de l'une des turbines.

Le porte-satellite peut coopérer avec un planétaire intérieur relié fixement à l'arbre de transmission de mouvement du compresseur.

30 Le train épicycloïdal peut comprendre une couronne libre coopérant avec l'arbre de transmission de mouvement de l'autre des turbines.

La couronne peut porter une denture extérieure coopérant avec une roue dentée porté par l'arbre de transmission de mouvement de l'autre des turbines.

La couronne peut porter une denture intérieure coopérant les satellites du porte-satellite.

L'arbre de transmission du compresseur, l'arbre de transmission de l'une de turbines et le train épicycloïdal peuvent être coaxiaux.

Les moyens de contrôle de la circulation des gaz d'échappement peuvent comprendre un circuit de décharge de gaz d'échappement de l'une des turbines et un conduit de liaison entre les turbines.

Le conduit de liaison peut relier la sortie de gaz de l'une des turbines à l'entrée de l'autre des turbines.

Le circuit de décharge peut comprendre une conduite de court-circuit munie d'une vanne et qui aboutit sur le conduit de liaison.

L'une des turbines peut comprendre des caractéristiques de fonctionnement différentes de l'autre des turbines.

Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : - la figure 1 qui illustre un dispositif de suralimention selon l'invention par une coupe suivant la ligne AA de la figure 2 et - la figure 2 qui est une vue en coupe, selon la ligne BB de la figure 1, du dispositif de suralimentation de l'invention.

La figure 1 illustre un dispositif de suralimentation pour l'air d'admission d'un moteur à combustion interne. Ce dispositif est utilisé pour des moteurs à autoallumage, notamment de type Diesel, mais peut aussi être employé avec des moteurs à allumage commandé, tels que ceux du type à Essence.

Ce dispositif comprend un turbocompresseur 10 avec un étage de compression 12 et un étage d'entraînement 14. Ce dispositif comprend en outre des moyens de contrôle 16 de la circulation des gaz d'échappement au travers de l'étage d'entraînement.

L'étage de compression comprend un compresseur 18 avec une admission d'air extérieur 20 et une sortie d'air comprimé 22 (ou air suralimenté). Cet air suralimenté qui est ensuite dirigé vers l'admission du moteur. Un arbre de transmission de mouvement 24 est relié fixement, par une de ses extrémités, à la roue de compression (non représenté), comme une roue à ailettes, que comporte habituellement ce compresseur.

L'étage d'entraînement comprend au moins deux turbines 26 et 28 avantageusement disposées en parallèle l'une à l'autre et comportant des caractéristiques de fonctionnement différentes l'une de l'autre. Ainsi, la turbine 26, dénommée dans la suite de la description "petite turbine", comporte un carter et une roue de turbine (non représentés) de taille plus petite que la taille du carter et de la roue (également non représentés) de la turbine 28, appelée "grande turbine". De ce fait, la petite turbine peut être entraînée avec une faible quantité d'énergie des gaz d'échappement en engendrant une vitesse de rotation de la roue de l'ordre de 100 000 à 200 000 tr/mn alors que la grande turbine nécessite une plus grande quantité d'énergie de ces gaz mais peut générer une autre vitesse de rotation de sa roue (de l'ordre de 50 000 à 150 000 tr/mn).

La petite turbine 26 comporte une admission 30 de gaz d'échappement sous pression provenant habituellement de l'échappement du moteur à combustion interne et une sortie de gaz d'échappement détendus 32. La sortie 32 de la petite turbine est reliée à l'entrée de gaz d'échappement 34 de la grande turbine par un conduit de liaison 36 permettant la circulation des gaz de cette sortie vers cette entrée. Une fois que les gaz d'échappement ont traversé la grande turbine, ils en ressortent par une évacuation 38 pour être dirigés vers la ligne d'échappement (non représentée) que comporte habituellement le véhicule.

La petite turbine comprend également un circuit de décharge 40 de gaz d'échappement. Ce circuit comprend une conduite de court-circuit 42 qui prend naissance à l'admission 30, ici à une intersection 44 avec une canalisation d'amenée 46 de gaz d'échappement sous pression, et qui aboutit à un piquage 48 sur le conduit de liaison 36 entre la sortie 32 de la petite turbine et l'entrée 34 de la grande turbine. Une vanne multi positions 50, plus connue sous le terme de "waste gate", est placée sur cette conduite pour contrôler les gaz d'échappement qui y circulent.

Des arbres de transmission de mouvement 52 et 54 non coaxiaux sont reliés, par une de leurs extrémités, aux roues respectivement de la petite et de la grande turbine. Compte tenu de la disposition en parallèle de ces turbines, ces arbres de transmission sont également disposés en parallèle l'un avec l'autre.

Avantageusement, l'arbre de transmission de mouvement 52 de la petite turbine 26 est placé de manière coaxiale avec l'arbre de transmission de mouvement 24 du compresseur 18.

Comme mieux visible en plus sur la figure 2, les arbres de transmission 52 et 54 de la petite turbine 26 et de la grande turbine 28 sont reliés par un dispositif de variation de vitesse, ici un train épicycloïdal 56, à l'arbre de transmission 24 du compresseur.

Ce train comporte fixement, à l'extrémité libre de l'arbre de transmission 52 de la petite turbine, un porte-satellite 58 avec trois satellites 60, sous forme 30 de roue dentée, portés chacun par un axe 62 en étant disposées à 120° les uns des autres. Les trois satellites coopèrent à engrènement avec une roue dentée intérieure 64, formant le planétaire intérieur de ce train épicycloïdal, portée fixement par l'extrémité libre de l'arbre de transmission 24 du compresseur 18 en étant coaxial avec l'axe du porte satellite. Ces satellites coopèrent également avec la dentelure interne 66 d'une couronne libre 68 placée coaxialement au porte-satellite et à la roue dentée intérieure 64. Cette couronne comporte de plus une dentelure externe 70 qui coopère à engrènement avec une roue dentée extérieure 72 portée de manière fixe à l'extrémité de l'arbre de transmission 54 de la grande turbine. Cet arbre de transmission porte également un accouplement unidirectionnel, comme une roue libre 74, qui n'autorise qu'un seul sens de rotation de l'arbre 54 et par conséquent de la roue de la grande turbine 28, sens de rotation généralement considéré entre l'entrée et la sortie des gaz d'échappement de la grande turbine.

De manière préférentielle, la couronne, les satellites, ainsi que les roues dentées extérieure et intérieure sont disposés dans le même plan.

Lors du fonctionnement du moteur à bas régime et à faibles charges (avec de faibles débits de gaz d'échappement), la vanne 50 est placée dans une position de fermeture de la conduite de court-circuit 42. De ce fait, la totalité des gaz d'échappement sous pression arrive à l'admission 30 de la petite turbine 26. Ces gaz traversent cette turbine en entraînant en rotation la roue qu'elle contient et son arbre de transmission 52 de par l'énergie qu'ils véhiculent. Les gaz détendus ressortent de cette petite turbine par la sortie 32 pour arriver à l'entrée 34 de la grande turbine 28 en circulant dans le conduit 36. Ces gaz traversent ensuite cette turbine sans pouvoir entraîner son arbre de transmission 54 compte tenu de la faible quantité d'énergie qu'ils contiennent. Avantageusement, la roue libre 74 empêche que cet arbre 54 ne puisse tourner dans le sens inverse du sens de fonctionnement habituel.

Comme l'arbre de transmission de la grande turbine est immobile en rotation, la roue dentée extérieure 72 est également immobile et la couronne 68 n'est pas entraînée en rotation autour de son axe par la coopération de sa dentelure externe 70 avec cette roue dentée. Par cela, les satellites 60 engrènent avec la dentelure interne 66 de cette couronne et avec la roue dentée intérieure 64 portée par l'arbre de transmission du compresseur 18.

Ainsi, le mouvement de rotation de l'arbre de transmission 52 de la petite turbine 26 est communiqué à l'arbre de transmission 24 du compresseur par les satellites 60 et la roue dentée intérieure 64 en étant amplifié par ce train épicycloïdal.

Bien entendu, le rapport de vitesse entre les deux arbres de transmission 52, 24 est fonction de dimensionnement du train épicycloïdal et il est à la portée de l'homme du métier de réaliser tous les calculs de dentures et de diamètres de roue dentée pour obtenir le rapport de vitesse souhaité.

Lorsque le moteur fonctionne à mi-régime avec des charges moyennes, la vanne 50 est commandée progressivement en ouverture de la conduite 42 pour dévier en partie la circulation des gaz d'échappement provenant du moteur dans cette conduite. Une partie des gaz d'échappement sous pression est introduite dans la petite turbine par l'admission 30 et la partie restante de ces gaz sous pression, qui circulent dans la conduite 42, est mélangée au point de piquage 48 du conduit 36 avec les gaz détendus sortant de la petite turbine. Ce mélange de gaz d'échappement sous pression et de gaz d'échappement détendus est ensuite admis à l'entrée 34 de la grande turbine.

La proportion des gaz sous pression qui traverse ces turbines est donc tributaire de la position d'ouverture de la vanne 50. Ainsi, dans la configuration de fonctionnement du moteur précitée, la position de cette vanne est telle que les gaz d'échappement, qui traversent la petite turbine 26, ont une énergie suffisante pour entraîner en rotation son arbre de transmission 52. De même, le mélange de gaz qui traverse la grande turbine 28 a une énergie telle qu'il permet d'entraîner en rotation la roue de cette grande turbine et en conséquence son arbre de transmission 54. La couronne 68 est donc entraînée en rotation par la roue dentée extérieure 72 à une vitesse qui est proportionnelle à la quantité de gaz d'échappement sous pression qui est mélangée avec les gaz d'échappement détendus.

De même, le porte-satellite 58 est entraîné en rotation avec une vitesse qui est également tributaire de la quantité de gaz d'échappement sous pression traversant la petite turbine. La vitesse de rotation de la couronne vient donc se cumuler avec la vitesse de rotation des satellites en entraînant à grande vitesse la roue dentée intérieure 64 de l'arbre de transmission 24 du compresseur 18.

Grâce à cela, il est possible d'obtenir une grande vitesse de rotation de la roue du compresseur et par cela d'obtenir un air suralimenté à la pression souhaité pour l'admission du moteur et cela en agissant sur la position d'ouverture de la vanne.

Pour le fonctionnement à plein régime et à fortes charges du moteur, la vanne 50 est en position de pleine ouverture de la conduite de court-circuit 42. De ce fait, une quantité minime de gaz d'échappement sous pression traverse la petite turbine en permettant cependant d'entraîner en rotation sa roue avec une vitesse suffisante tout en limitant la contre-pression du moteur. Cependant, pour une bonne compréhension de ce qui va suivre, il est considéré que l'arbre de transmission de mouvement 52 et la roue de la petite turbine sont immobiles. Les gaz d'échappement sous pression provenant de la conduite de court- circuit 42 traversent donc la grande turbine 28 en générant la mise en rotation à très grande vitesse de l'arbre de transmission 54 et de la roue dentée 72.

La rotation de cette roue dentée permet la mise en rotation de la couronne 68 de par la coopération de la denture externe 70 de cette couronne avec la roue dentée. Cette rotation est ensuite retransmise aux satellites 60 qui eux-mêmes retransmettent leur rotation à la roue dentée intérieure 64 portée par l'arbre 24 du compresseur 18. Comme l'arbre de transmission 52 de la petite turbine est considéré comme immobile, le mouvement de rotation de l'arbre de transmission 54 de la grande turbine est transmis à l'arbre de transmission 24 du compresseur au travers du train épicycloïdal en étant amplifié.

Comme déjà mentionné, le rapport de vitesse entre les deux arbres de transmission 54 et 24 est fonction du dimensionnement du train épicycloïdal et il est à la portée de l'homme du métier de réaliser tous les calculs de dentures, de diamètres de roue dentée et de la couronne pour obtenir le rapport de vitesse souhaité entre ces deux arbres.

La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit mais englobe toutes variantes et tous équivalents couverts par la présente invention.20

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur à combustion interne comportant un turbocompresseur (10) comprenant un étage de compression (12) avec un compresseur (18), un étage d'entraînement (14) de l'étage de compression et des moyens de contrôle (16) de la circulation des gaz d'échappement au travers de l'étage d'entraînement, caractérisé en ce que l'étage d'entraînement comprend au moins deux turbines (26, 28) dont les arbres de transmission de mouvement (52, 54) sont reliés audit compresseur par un dispositif de variation de vitesse (56).
2. 2) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de variation de vitesse comprend un train épicycloïdal (56).
3. 3) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le train épicycloïdal (56) comprend un porte-satellite (58) relié fixement à l'arbre de transmission de mouvement (52) de l'une (26) des turbines.
4. 4) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le porte-satellite coopère avec un planétaire intérieur (64) relié fixement à l'arbre de transmission de mouvement (24) du compresseur (18).
5. 5) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le train épicycloïdal (56) comprend une couronne libre (68) coopérant avec l'arbre de transmission de mouvement (54) de l'autre (28) des turbines.
6. 6) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couronne porte une denture extérieure 20 25 30 (70) coopérant avec une roue dentée (72) portée par l'arbre de transmission de mouvement (54) de l'autre (28) des turbines.
7. 7) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la couronne porte une denture 10 intérieure (66) coopérant les satellites (60) du porte-satellite.
8. 8) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'arbre de transmission (24) du compresseur, l'arbre de transmission (52) de l'une (26) de turbines et le train 15 épicycloïdal (56) sont coaxiaux.
9. 9) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de contrôle (16) de la circulation des gaz d'échappement comprennent un circuit de décharge de gaz 20 d'échappement (16) de l'une (26) des turbines et un conduit de liaison (36) entre les turbines (26, 28).
10. 10) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le conduit de liaison (36) relie la sortie 25 (32) de gaz de l'une (26) des turbines à l'entrée (34) de l'autre (28) des turbines.
11. 11) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le circuit de décharge comprend une conduite de court-circuit (42) munie d'une vanne (44) et qui aboutit sur le 30 conduit de liaison (36).
12. 12) Dispositif de suralimentation de l'air d'admission d'un moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une (26) des turbines comprend des caractéristiques de fonctionnement différentes de l'autre 35 (28) des turbines.