FR3013765A1

FR3013765A1 - Turbocompresseur a fonctionnement variable

Info

Publication number: FR3013765A1
Application number: FR1361810A
Authority: FR
Inventors: Marius Daniel Ene
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-05-29

Abstract

L'invention se rapporte à un turbocompresseur (1) comprenant un compresseur (2) et une turbine (3). La principale caractéristique d'un turbocompresseur selon l'invention, est qu'il comprend un mécanisme de couplage (5) mécanique permettant de faire varier la vitesse du compresseur (2) et la vitesse de la turbine (3) l'une par rapport à l'autre.

Description

TURBOCOMPRESSEUR A FONCTI ONNEMENT VARIABLE L'invention se rapporte à un turbocompresseur à fonctionnement variable. Un turbocompresseur est conventionnellement constitué d'un compresseur placé dans une ligne d'alimentation en air d'un moteur de véhicule pour augmenter la masse d'air admise dans les cylindres du moteur de façon à accroître la puissance dudit moteur, et d'une turbine placée dans une ligne d'échappement des gaz de ce moteur. La turbine et le compresseur sont montés sur un arbre de rotation 10 commun et ont un régime de rotation identique. L'énergie prélevée par la turbine aux gaz d'échappement est transmise au compresseur par l'intermédiaire de l'arbre commun, pour la compression de l'air. Généralement, le flux d'air passant à travers le compresseur est directement proportionnel au flux de gaz brûlés passant à travers la turbine. 15 Cependant il existe des turbocompresseurs à géométrie variable, dont la turbine est munie d'ailettes à orientation variable dans le flux de gaz d'échappement. Selon l'orientation des ailettes, on peut opposer plus ou moins de résistance au passage des gaz d'échappement à travers la turbine, c'est-à-dire 20 ajuster la quantité d'énergie prélevée aux gaz puis transmise au compresseur. On peut ainsi régler le flux massique d'air passant à travers le compresseur de façon non proportionnelle au flux de gaz brûlés passant à travers la turbine. Un tel turbocompresseur à géométrie variable permet, par exemple, d'accroître encore plus les performances d'un moteur à haut régime ou à 25 charge élevée, sans avoir à augmenter la consommation de carburant. Or, de tels turbocompresseurs à géométrie variable sont relativement fragiles car ils comportent un ensemble complexe de pièces articulées les unes aux autres pour permettre d'orienter les ailettes de la turbine. D'autre part, la turbine fonctionne à l'échappement du moteur à de températures très élevées, 30 sensiblement supérieures à 800°C, rendant indispensable l'utilisation d'une huile lubrifiante de bonne qualité et donc des coûts élevés. Un turbocompresseur selon l'invention permet de rendre variable la vitesse du compresseur par rapport à la vitesse de la turbine, pour bénéficier des mêmes avantages de performance et de rendement énergétique que ceux des turbocompresseurs à géométrie variable, tout en s'affranchissant de leurs inconvénients en matière de complexité et de fiabilité. L'invention a pour objet un turbocompresseur comprenant un compresseur et une turbine. La principale caractéristique d'un turbocompresseur selon l'invention, est qu'il comprend un mécanisme de couplage mécanique permettant de faire varier la vitesse du compresseur et la vitesse de la turbine l'une par rapport à l'autre. Autrement dit, un tel mécanisme permet de fixer les conditions d'utilisation du turbocompresseur à un instant donné d'un cycle de roulage du véhicule, sur des points de fonctionnement régime / charge du moteur différents, dans le but par exemple d'augmenter les performances du moteur sans augmenter la consommation de carburant. Avantageusement, pour une vitesse de la turbine donnée, dépendant notamment du débit des gaz d'échappement traversant ladite turbine, ledit mécanisme est conçu pour ne pouvoir sélectionner qu'une seule vitesse du compresseur. De cette manière, si le mécanisme est réglé pour que, par exemple, la vitesse de la turbine soit élevée pour un débit de gaz donné, ledit mécanisme sélectionne automatiquement une vitesse faible pour le com presseur. Le terme « couplage mécanique » signifie que le mécanisme met en oeuvre des pièces solides, qui interagissent par contact, entre elles et avec le compresseur et la turbine, pour obtenir le rapport de vitesses voulu. Il est sous-entendu que les vitesses du compresseur et de la turbine sont des vitesses de rotation.

Avantageusement, le mécanisme comprend un premier élément rotatif lié au compresseur et un deuxième élément rotatif lié à la turbine, lesdits éléments étant au contact d'une pièce d'interface mobile placée entre eux et dont le positionnement variable détermine le rapport des vitesses de rotation de chacun desdits éléments. Ainsi, la vitesse du compresseur et de la turbine sont réglées l'une par rapport à l'autre au moyen d'une seule pièce commune, simplifiant les conditions de réglage du turbocompresseur et réduisant les coûts dudit turbocompresseur. L'utilisation d'une seule pièce d'interface limite également l'encombrement du turbocompresseur.

De façon préférentielle, la pièce d'interface impose simultanément à chacun des éléments une vitesse de rotation relative par rapport à celle de ladite pièce interface, au moyen d'une interaction mécanique avec ceux-ci. Non seulement la pièce d'interface permet de sélectionner une vitesse relative du compresseur par rapport à la turbine, mais elle transmet également l'énergie prélevée aux gaz d'échappement par la turbine au compresseur pour la compression de l'air admis dans le moteur. Préférentiellement, la pièce d'interface est montée rotative autour d'un premier axe et coopère avec chacun desdits éléments rotatifs par engrènement. La valeur de la vitesse du compresseur ou de la turbine, pour un point de fonctionnement régime / charge du moteur donné, dépend des conditions d'engrènement de chaque élément rotatif avec la pièce d'interface. De façon avantageuse, chaque élément rotatif présente un axe de révolution et possède une section circulaire progressive le long dudit axe, la pièce d'interface venant s'engrener sur la surface externe de chacun desdits éléments pour leur imposer une vitesse de rotation en pivotant autour dudit premier axe, ladite pièce d'interface pouvant pivoter autour d'un deuxième axe pour se déplacer le long desdites surfaces suivant l'axe de révolution de chacun desdits éléments rotatifs, et faire varier la vitesse de rotation relative de chacun desdits éléments rotatifs par rapport à celle de ladite pièce interface. Autrement dit, chaque élément rotatif possède une section transversale croissante le long de son axe de révolution permettant de distinguer une extrémité évasée et une extrémité rétrécie. Ainsi, si la pièce d'interface vient s'engrener sur un élément rotatif au niveau de son extrémité rétrécie, elle impose audit élément rotatif une vitesse de rotation élevée, pour un débit de gaz d'échappement donné. A l'inverse, si elle vient s'engrener au 5 niveau de l'extrémité évasée de cet élément elle lui impose une vitesse de rotation plus faible. Pour cette configuration, la pièce d'interface peut pivoter, d'une part, autour d'un premier axe pour imposer un rapport de vitesses de rotation donné entre la turbine et le compresseur, et d'autre part, autour d'un deuxième axe pour pouvoir déplacer la zone de contact entre la pièce 10 d'interface et la surface externe d'un élément rotatif, afin de modifier le rapport de vitesse de rotation desdits éléments rotatifs. Avantageusement, chaque élément rotatif présente une extrémité évasée et une extrémité rétrécie, lesdits éléments étant alignés de sorte que leurs axes de révolution soient en continuité et de sorte que leurs extrémités 15 rétrécies soient en regard l'une de l'autre, le deuxième axe de rotation de la pièce d'interface demeurant perpendiculaire aux axes de révolution desdits éléments. De façon préférentielle, la pièce d'interface est constituée par un disque possédant une pluralité de dents périphériques, aptes à interagir avec 20 des créneaux pratiqués sur les surfaces externes desdits éléments, le premier axe correspondant à l'axe de révolution du disque et le deuxième axe s'étendant selon une direction radiale dudit disque. Préférentiellement, la pièce d'interface peut pivoter autour du deuxième axe entre une première position extrême pour laquelle elle est au 25 contact de la partie rétrécie du premier élément rotatif et de la partie évasée du deuxième élément rotatif, et une deuxième position extrême pour laquelle elle est contact de la partie rétrécie du deuxième élément rotatif et de la partie évasée du premier élément rotatif, en passant par une multiplicité de positions intermédiaires. Parmi ces positions intermédiaires, se situe une position 30 moyenne pour laquelle la pièce d'interface est au contact d'une même zone au niveau de chaque élément rotatif, et communique donc une même vitesse au compresseur et à la turbine. De façon avantageuse, un moteur électrique est associé à la pièce d'interface pour lui permettre de se déplacer afin de régler la vitesse de 5 rotation du compresseur par rapport à celle de la turbine. Avantageusement, le déplacement de la pièce motrice est à choisir parmi un déplacement pas à pas et un déplacement continu. Un turbocompresseur selon l'invention présente l'avantage de posséder une fonctionnalité supplémentaire à travers le réglage possible de la vitesse du 10 compresseur et de celle de la turbine relativement entre elles, tout en demeurant d'un fonctionnement simple et fiable. En effet, il met en oeuvre un mécanisme se fondant sur des interactions éprouvées et bien maitrisées, telles que des engrènements. Il a de plus l'avantage d'être peu coûteux et peu encombrant, en limitant le nombre de pièces impliquées dans le mécanisme de 15 couplage mécanique permettant d'ajuster lesdites vitesses. On donne, ci-après, une description détaillée d'un mode de réalisation préféré d'un turbocompresseur selon l'invention en se référant aux figures 1 à 5. - La figure 1 est une vue en perspective et en éclaté d'un 20 turbocompresseur selon l'invention, - La figure 2 est une vue en perspective d'un mécanisme de couplage d'un turbocompresseur selon l'invention, Les figures 3A, 3B et 3C sont trois vues de coté du mécanisme de couplage de la figure 2, respectivement dans une première position 25 extrême, une position intermédiaire et une deuxième position extrême, - La figure 4 est une vue en perspective du mécanisme de couplage de la figure 2 auquel a été ajouté un dispositif d'entrainement, La figure 5 est une vue en perspective et en éclaté d'un turbocompresseur selon l'invention, montrant l'intégration du mécanisme de couplage et du dispositif d'entrainement dans ledit turbocom presseur.

En se référant à la figure 1, un turbocompresseur 1 selon l'invention, comprend un compresseur 2 et une turbine 3 séparés par un boitier 4 renfermant un mécanisme 5 de couplage mécanique, associé à un dispositif d'entrainement 6 dudit mécanisme 5. En se référant aux figures 2 et 3A, le mécanisme de couplage mécanique 5 comprend un premier 7 et un deuxième 8 élément rotatif, ainsi qu'une pièce d'interface 9 reliée au dispositif d'entrainement 6. Les deux éléments rotatifs 7,8 sont identiques et sont composés chacun d'une embase 12 cylindrique élargie, prolongée par une paroi en forme de pavillon, se rétrécissant progressivement depuis ladite embase élargie 12 vers une extrémité libre 10 de section réduite. Chaque élément rotatif 7,8 possède un axe de révolution passant par le centre de l'embase 12 et le centre de l'extrémité libre 10. Autrement dit, un élément rotatif 7,8 possède une section transversale circulaire profilée, variant d'une valeur maximale au niveau de l'embase 12 vers une valeur minimale au niveau du bout de l'extrémité libre 10. Les deux éléments rotatifs 7,8 sont positionnés de façon alignée dans le boitier 4, de sorte que leurs axes de révolution soient parfaitement en continuité, et de sorte que les deux extrémités libres 10 desdits éléments 7,8 soient en regard l'une de l'autre. Chaque élément rotatif 7,8 possède sur sa surface externe 11 une pluralité de rainures parallèles, joignant l'extrémité libre 10 à l'embase 12, de manière à présenter, en alternance, sur toute sa périphérie des gorges et des nervures. La pièce d'interface 9 est insérée entre les deux éléments rotatifs 7,8 de manière à être au contact de la surface externe 11 de chacun desdits éléments rotatifs 7,8, ladite pièce 9 étant assimilable à un disque circulaire possédant un axe de révolution et un bord périphérique 13 biseauté. En effet, cette pièce 9 possède deux faces circulaires 14,15 planes et parallèles, disposées de façon concentrique, l'une 15 ayant un diamètre supérieur à celui de l'autre 14, lesdites surfaces 14,15 étant reliées l'une à l'autre par ledit bord périphérique 13. Le bord périphérique 13 est creusé au niveau de sa surface, par une pluralité de rainures, joignant les deux faces circulaires 14,15 5 parallèlement à l'axe de révolution de ladite pièce 9 d'interface, de manière à présenter en alternance, sur toute sa périphérie des gorges et des nervures. Cette pièce d'interface 9 porte un premier axe 16 de rotation, ayant la forme d'une tige cylindrique émergeant de la face circulaire 15 de grand diamètre de ladite pièce 9. Plus précisément, cette tige 16 prend naissance au centre de 10 ladite face 15 et s'étend selon une direction qui est perpendiculaire au plan de cette face 15. En se référant à la figure 4, le premier axe 16 est prolongé par un deuxième axe 17 de rotation qui est relié au dispositif d'entrainement 6. Ledit deuxième axe 17 est solidarisé à une bague 18 placée autour du premier axe 15 16 et s'étend perpendiculairement audit premier axe 16. La bague 18 permet de rendre indépendante la rotation du deuxième axe 17 de celle du premier axe 16. Le dispositif d'entrainement 6 comprend un moteur électrique 19, et une pièce relais 20, qui est plane et de faible épaisseur. Cette pièce relais 20 présente deux faces planes 25 parallèles, et est délimitée par deux bords 20 21,22 rectilignes, sensiblement de même longueur, et faisant entre eux un angle de 90° plus ou moins 20°, lesdits bords 21,22 étant reliés entre eux par un bord incurvé 23 en arc de cercle. Cette pièce relais 20 est assimilable à une portion de disque ayant une ouverture angulaire de 90° plus ou moins 20°. La pièce relais 20 est fixée au deuxième axe 17 et à au bord biseauté 25 13 de la pièce d'interface 9, de sorte que son plan s'étende perpendiculairement audit deuxième axe 17 et perpendiculairement au plan des deux faces circulaires 14,15 de ladite pièce d'interface 9. Le moteur électrique 19, qui peut fonctionner, soit pas à pas, soit en continu, est relié à un pignon d'entrainement 24, qui est mis au contact de la 30 pièce relais 20 au niveau de l'une de ses deux faces planes 25, à proximité du bord incurvé 23. De cette manière, ledit moteur 19 provoque la mise en rotation du pignon d'entrainement 24, qui, mis au contact de la pièce relais 20, déplace en rotation ladite pièce relais 20 autour du deuxième axe 17. En se référant à la figure 5, le boitier 4 séparant le compresseur 2 et la turbine 3, contient les deux éléments rotatifs 7,8, la pièce d'interface 9, le premier 16 et le deuxième 17 axes, la pièce relais 20 ainsi que le moteur électrique 19 et le pignon d'entrainement 24. Ces différentes pièces sont agencées dans le boitier 4 de manière fonctionnelle pour pouvoir faire varier la vitesse de rotation du compresseur 2 et de la turbine 3, tout en demeurant d'un encombrement compact.

Doté d'un tel mécanisme de couplage 5 mécanique, un turbocompresseur 1 selon l'invention peut adopter les différentes configurations suivantes. En se référant à la figure 3A, dans une position moyenne, la pièce d'interface 9 est placée entre les deux éléments rotatifs 7,8 de sorte que son bord périphérique 13 vienne s'engrener dans chacune des surfaces 11 externes desdits éléments 7,8, et de sorte que le premier axe 16 de rotation de ladite pièce 9 soit perpendiculaire aux axes de révolution de ces éléments rotatifs 7,8. Dans cette position moyenne, les deux faces 14,15 planes de la pièce d'interface 9 s'étendent parallèlement aux axes de révolution des éléments rotatifs 7,8. La pièce d'interface 9 est alors au contact d'une zone de chacun desdits éléments rotatifs 7,8, correspondant à une même section transversale. De cette manière, la mise en rotation de la pièce intermédiaire 9 autour de son premier axe 16 de rotation, lie simultanément la rotation des deux éléments rotatifs 7,8 autour de leur axe de révolution avec la même vitesse de rotation. En se référant à la figure 3B, lorsque le pignon d'entrainement 24 est mis en rotation dans un sens par le moteur électrique 19, depuis la position moyenne du turbocompresseur 1, l'ensemble constitué par la pièce relais 20 et la pièce d'interface 9 pivote dans un sens autour du deuxième axe 17. La pièce d'interface 9 se déplace alors sur les surfaces externes 11 des deux éléments rotatifs 7,8, selon une direction parallèle aux axes de révolution desdits éléments rotatifs 7,8, en demeurant au contact de chacune desdites surfaces externes 11. Ainsi, la pièce d'interface 20 se retrouve simultanément au contact : d'une zone de l'élément rotatif 7 réglant la vitesse de rotation du compresseur 2, correspondant à une section transversale élargie dudit élément 7. d'une zone de l'élément rotatif 8 réglant la vitesse de rotation de la turbine 3, correspondant à une section transversale rétrécie dudit élément 8. Les notions d' « élargie » et de « rétrécie » sont à considérer par rapport aux dimensions de la section transversale, dans la position moyenne précédemment décrite. Pour cette configuration, la pièce d'interface 9 impose une vitesse de rotation réduite au compresseur 2 et une vitesse de rotation élevée à la turbine 3, par rapport à la vitesse de rotation obtenue dans la position moyenne, pour un débit de gaz d'échappement donné. La figure 3B illustre une position extrême de la pièce d'interface 9 communiquant une vitesse minimale au compresseur 2 et une vitesse maximale à la turbine 3.

Il est à préciser que la pièce d'interface 9 peut adopter une multiplicité de positions intermédiaires entre la position moyenne montrée à la figure 2, et la position extrême illustrée à la figure 3B. En se référant à la figure 3C, lorsque le pignon d'entrainement 24 est mis en rotation dans un sens opposé par le moteur électrique 19, depuis la position moyenne du turbocompresseur 1, l'ensemble constitué par la pièce relais 20 et la pièce d'interface 9 pivote dans un sens opposé autour du deuxième axe 17. Pour cette configuration, la pièce d'interface 9 impose une vitesse de rotation élevée au compresseur 2 et une vitesse de rotation réduite à la turbine 3 par rapport à la vitesse de rotation obtenue dans la position moyenne, pour un même point de fonctionnement du moteur (débit des gaz d'échappement). La figure 3C illustre une position extrême de la pièce d'interface 9 communiquant une vitesse maximale au compresseur 2 et une vitesse minimale à la turbine 3.

Il est à préciser que la pièce d'interface 9 peut adopter une multiplicité de positions intermédiaires entre la position moyenne montrée à la figure 2, et la position extrême illustrée à la figure 3C. Pour résumer, un turbocompresseur 1 selon l'invention, peut adopter une multiplicité de configurations dictées par les positions possibles de la pièce d'interface 9. Autrement dit, la pièce d'interface 9 peut passer d'une première position extrême, comme illustrée à la figure 3B, et pour laquelle la vitesse du compresseur 2 est minimale et celle de la turbine 3 est maximale, à une deuxième position extrême, comme illustrée à la figure 3C, et pour laquelle la vitesse du compresseur 2 est maximale et celle de la turbine 3 est minimale, en passant par une multiplicité de positions intermédiaires parmi lesquelles la position moyenne illustrée à la figure 3A. Quelle que soit la configuration du turbocompresseur 1, la pièce d'interface demeure en permanence au contact des deux éléments rotatifs 7,8. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui 20 vient d'être décrit. En particulier, la pièce d'interface 9 pourra être amenée à coopérer avec les deux éléments rotatifs 7,8 autrement que par engrènement, comme par exemple par friction.

Claims

REVENDICATIONS1. Turbocompresseur (1) comprenant un compresseur (2) et une turbine (3), caractérisé en ce qu'il comprend un mécanisme de couplage (5) mécanique permettant de faire varier la vitesse du compresseur (2) et la vitesse de la turbine (3) l'une par rapport à l'autre.
2. Turbocompresseur selon la revendication 1 caractérisé en que le mécanisme (5) comprend un premier élément rotatif (7) lié au compresseur (2) et un deuxième élément rotatif (8) lié à la turbine (3), et en ce que lesdits éléments (7,8) sont au contact d'une pièce d'interface (9) mobile placée entre eux et dont le positionnement variable détermine le rapport des vitesses de rotation de chacun desdits éléments (7,8).
3. Turbocompresseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce d'interface (9) impose simultanément à chacun des éléments (7,8) une vitesse de rotation relative par rapport à celle de ladite pièce interface (9), au moyen d'une interaction mécanique avec ceux-ci.
4. Turbocompresseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pièce d'interface (9) est montée rotative autour d'un premier axe (16), et en ce qu'elle coopère avec chacun desdits éléments rotatifs (7,8) par engrènement.
5. Turbocompresseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque élément rotatif (7,8) présente un axe de révolution et possède une section circulaire progressive le long dudit axe, et en ce que la pièce d'interface (9) vient s'engrener sur la surface externe (11) de chacun desdits éléments (7,8) pour leur imposer une vitesse de rotation en pivotant autour dudit premier axe, ladite pièce d'interface (9) pouvant pivoter autour d'un deuxième axe (17) pour se déplacer le long desdites surfaces (11) suivant l'axe de révolution de chacun desdits éléments rotatifs (7,8), et faire varier la vitesse de rotation relative dechacun desdits éléments rotatifs (7,8) par rapport à celle de ladite pièce interface (9).
6. Turbocompresseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque élément rotatif (7,8) présente une extrémité évasée (12) et une extrémité rétrécie (10), et en ce que lesdits éléments (7,8) sont alignés de sorte que leurs axes de révolution soient en continuité et de sorte que leurs extrémités rétrécies (10) soient en regard l'une de l'autre, le deuxième axe (17) de rotation de la pièce d'interface (9) demeurant perpendiculaire auxdits axes de révolution desdits éléments (7,8).
7. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la pièce d'interface (9) est constituée par un disque possédant une pluralité de dents périphériques, aptes à interagir avec des créneaux pratiqués sur les surfaces externes (11) desdits éléments (7,8), et en ce que le premier axe (16) correspond à l'axe de révolution du disque et le deuxième axe (17) s'étend selon une direction radiale dudit disque.
8. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la pièce d'interface (9) peut pivoter autour du deuxième axe (17) entre une première position extrême pour laquelle elle est au contact de la partie rétrécie (10) du premier élément rotatif (7) et de la partie évasée (12) du deuxième élément rotatif (8), et une deuxième position extrême pour laquelle elle est contact de la partie rétrécie (10) du deuxième élément rotatif (8) et de la partie évasée (12) du premier élément rotatif (7), en passant par une multiplicité de positions intermédiaires.
9. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un moteur électrique (19) est associé à la pièce d'interface (9) pour lui permettre de se déplacer afin de régler la vitesse de rotation du compresseur (2) par rapport à celle de la turbine (3).
10.Turbocompresseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le déplacement de la pièce motrice est à choisir parmi un déplacement pas à pas et un déplacement continu.