FR3029567A1 - Turbocompresseur compact pour moteur thermique de vehicule automobile - Google Patents

Turbocompresseur compact pour moteur thermique de vehicule automobile Download PDF

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Abstract

L'invention porte principalement sur un turbocompresseur (32) pour moteur thermique de véhicule automobile comprenant: - un compresseur (35) destiné à être situé du côté de l'admission dudit moteur thermique, - une turbine (36) destinée à être située du côté de l'échappement dudit moteur thermique, caractérisé en ce que ledit compresseur (35) et ladite turbine (36) comportent chacun au moins deux roues (351, 352, 361, 362), ledit turbocompresseur (32) comportant en outre un arbre d'accouplement (39) accouplé aux deux roues (351, 352) dudit compresseur (35) et aux deux roues (361, 362) de ladite turbine (36).

Description

1 TURBOCOMPRESSEUR COMPACT POUR MOTEUR THERMIQUE DE VEHICULE AUTOMOBILE [0001] La présente invention porte sur un turbocompresseur compact pour moteur thermique de véhicule automobile. L'invention trouve une application particulièrement 5 avantageuse avec les moteurs thermiques suralimentés de véhicule automobile de type essence ou diesel. [0002] Pour favoriser les économies d'énergie et minimiser les émissions de dioxyde de carbone et de particules polluantes, on tend à réduire la cylindrée des moteurs tout en cherchant à conserver une puissance au moins identique à celle des moteurs de cylindrée 10 plus élevée (principe dit de "downsizing" en anglais). [0003] Afin de compenser la perte de cylindrée, les moteurs à cylindrée réduite sont généralement suralimentés au moyen d'un turbocompresseur. Le turbocompresseur comprend de façon connue en soi un compresseur et une turbine. Le compresseur permet de comprimer l'air d'admission afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur. A 15 cet effet, le compresseur est disposé sur le conduit d'admission en amont du moteur. L'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation la turbine disposée sur le conduit d'échappement, laquelle entraîne alors en rotation le compresseur par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement. [0004] Afin de maintenir la densité de l'air acquise en sortie du compresseur, on utilise 20 un échangeur de chaleur apte à refroidir l'air circulant dans le conduit d'admission. Cet échangeur de chaleur est habituellement appelé Refroidisseur d'Air de Suralimentation (RAS), même s'il est possible qu'il n'y ait pas que de l'air qui y circule. En effet, dans certains cas, il peut y circuler un mélange air et de gaz d'échappement issus d'un système de recirculation des gaz d'échappement (dit système "EGR" pour 25 "Exhaust Gaz Recirculation" en anglais). [0005] L'inconvénient de tels moteurs est qu'ils présentent un retard sur le temps de réponse en couple au cours d'une phase transitoire d'accélération. Ce retard est dû à l'inertie du système de suralimentation. Pour atténuer cet effet, il est possible de faire appel à une architecture dite bi-turbo (ou "twin-turbo" en anglais). Dans cette configuration 30 illustrée sur la figure 1, deux turbocompresseurs identiques 1 et 2 de faible inertie sont utilisés en parallèle pour suralimenter le moteur thermique 3. 3029567 2 [0006] Ainsi, l'air d'admission est réparti de façon égale entre les deux compresseurs 11 et 21. L'air ressort des deux étages de compresseurs 11 et 21 sous pression puis est acheminé vers un répartiteur commun jusqu'à la culasse. Du côté de l'échappement, les conduits d'échappement sont divisés en deux groupes 5 et 6. Chacun de ces groupes 5, 6 conduit les gaz brulés vers une entrée de la turbine correspondante 12, 22. Les deux turbines 12, 22 sont équipées chacune d'une vanne de décharge 13, 23 pour réguler l'air d'admission à la pression de suralimentation de consigne. Du fait de la réduction de la taille des roues des compresseurs 11, 21 et des turbines 12, 22 (et donc de l'inertie de l'ensemble tournant), une telle architecture permet d'améliorer les temps de réponse en transitoire du moteur par rapport à une architecture mono-turbo. [0007] Toutefois, cette configuration a l'inconvénient de présenter un encombrement sous capot important, ainsi qu'un coût élevé en raison de l'utilisation de deux turbocompresseurs. En outre, l'implantation est difficile à réaliser compte tenu de la nécessité d'ajouter des raccords en eau et en huile supplémentaires pour assurer la lubrification et le refroidissement du système. [0008] L'invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un turbocompresseur pour moteur thermique de véhicule automobile comprenant: - un compresseur destiné à être situé du côté de l'admission dudit moteur thermique, - une turbine destinée à être située du côté de l'échappement dudit moteur thermique, caractérisé en ce que ledit compresseur et ladite turbine comportent chacun au moins deux roues, ledit turbocompresseur comportant en outre un arbre d'accouplement accouplé aux deux roues dudit compresseur et aux deux roues de ladite turbine. [0009] L'invention permet ainsi d'obtenir les mêmes prestations en transitoire que le système bi-turbo classique tout en présentant l'avantage d'être plus compact compte tenu de l'utilisation d'un turbocompresseur unique. En outre, l'intégration du système est facilitée, dans la mesure où la lubrification et le refroidissement du système peuvent être réalisés au moyen d'un seul raccordement en eau et en huile. Le contrôle moteur est également simplifié, puisque qu'il n'y a qu'une seule vanne de décharge et une seule pression de suralimentation à piloter au lieu de deux pour un système bi-turbo classique. [0010] Selon une réalisation, ledit compresseur comprend: - une entrée de gaz d'admission destinée à être reliée à un conduit d'admission de telle façon qu'un flux d'air issu de l'admission se partage entre les deux roues dudit compresseur, et 3029567 3 - deux sorties de gaz d'admission comprimés correspondant chacune à une roue dudit compresseur. [0011] Selon une réalisation, ladite turbine comprend: - deux entrées de gaz d'échappement destinées à être reliées chacune à 5 un groupe de conduits d'échappement, et - une sortie de gaz d'échappement au niveau de laquelle se rejoignent les flux des gaz d'échappement issus des deux roues de ladite turbine. [0012] Selon une réalisation, ledit compresseur et ladite turbine comportent chacun deux roues positionnées dos à dos. 10 [0013] Selon une réalisation, les roues dudit compresseur sont sensiblement identiques. Chacune des roues reçoit ainsi le même débit d'air frais. [0014] Selon une réalisation, les roues de ladite turbine sont sensiblement identiques. [0015] Selon une réalisation, ledit turbocompresseur comporte une vanne de décharge permettant de court-circuiter ladite turbine. La vanne de décharge permet ainsi de réguler 15 la puissance récupérée sur l'arbre du turbocompresseur et donc de réguler la pression de suralimentation des gaz à l'admission. [0016] L'invention a également pour objet une architecture de moteur thermique suralimenté comportant un turbocompresseur tel que précédemment défini. [0017] Selon une réalisation, ladite architecture est configurée en sorte que les deux flux 20 d'air frais comprimés issus des deux sorties dudit compresseur se rejoignent en amont d'un répartiteur d'admission. [0018] Selon une réalisation, dans le cas d'un moteur thermique à quatre cylindres, - une des entrées de ladite turbine est reliée à un premier groupe de conduits comportant les conduits d'échappement d'un premier et d'un quatrième cylindres, et 25 - l'autre entrée de ladite turbine est reliée à un deuxième groupe de conduits comportant les conduits d'échappement d'un deuxième et d'un troisième cylindres. Ainsi, le débit d'échappement est plus pulsé et les rendements des roues de la turbine sont améliorés. [0019] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif 30 mais nullement limitatif de l'invention. 3029567 4 [0020] La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'une architecture de moteur thermique suralimenté par un système de type bi-turbo selon l'état de la technique; [0021] La figure 2 est une représentation schématique d'une architecture de moteur 5 thermique suralimenté par un turbocompresseur bi-turbo selon la présente invention; [0022] La figure 3 est une vue en coupe du turbocompresseur compact de la figure 2 assurant une fonctionnalité bi-turbo. [0023] Sur les figures 2 et 3, les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. Dans la description qui suit, les 10 termes relatifs de type "amont" et "aval" sont entendus par rapport au sens d'écoulement des gaz dans les conduits d'admission et d'échappement du moteur. [0024] La figure 2 montre une architecture 30 selon la présente invention comportant un moteur thermique 31 suralimenté par un turbocompresseur unique 32 assurant une fonctionnalité turbo. A cet effet, le turbocompresseur 32 comprend, comme cela est bien 15 visible sur la figure 3, un compresseur 35 ainsi qu'une turbine 36 dont les roues sont accouplées par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement 39 monté sur un palier central 40. Le compresseur 35 est disposé en amont du moteur 31 sur un conduit d'admission 43 en relation avec un répartiteur d'admission 44 du moteur 31. La turbine 36 disposée en aval du moteur 31 est reliée à des conduits d'échappement du moteur 31. 20 [0025] Plus précisément, le compresseur 35 est muni de deux roues 351, 352 sensiblement identiques positionnées dos à dos à l'intérieur d'un carter 47. Ainsi, chacune des roues 351, 352 reçoit le même débit d'air frais. De façon analogue, la turbine 36 est munie de deux roues 361, 362 sensiblement identiques positionnées dos à dos à l'intérieur d'un carter 48. 25 [0026] L'arbre d'accouplement 39 est accouplé aux deux roues 351, 352 du compresseur 35 et aux deux roues 361, 362 de la turbine 36. Ainsi, l'écoulement des gaz d'échappement entraîne en rotation les roues 361, 362 de la turbine 36. Les roues 361, 362 de la turbine 36 entraînent alors en rotation les roues 351, 352 du compresseur 35 par l'intermédiaire de l'arbre d'accouplement 39, ce qui permet de comprimer l'air dans les 30 cylindres du moteur 31. Lors de la mise en fonctionnement du turbocompresseur 32, les quatre roues 351, 352, 361, 362 sont ainsi entraînées à la même vitesse de rotation. On 3029567 5 parle ici d'air à l'admission pour faciliter la compréhension de l'invention, mais il est clair que l'air à l'admission pourra comporter une partie de gaz d'échappement dans le cas où un circuit de recirculation des gaz d'échappement est utilisé. [0027] Le compresseur 35 comprend une entrée d'air 51 ménagée dans le carter 47 5 destinée à être reliée au conduit d'admission 43, et deux sorties d'air comprimé 52, 53 correspondant chacune à une roue 351, 352 du compresseur 35. Ainsi, le flux d'air d'admission se partage entre les deux roues 351, 352 du compresseur 35. Les débits traversant les deux roues 351, 352 sont sensiblement identiques. Les deux flux d'air frais comprimés issus des sorties 52, 53 se rejoignent en amont du répartiteur d'admission 44.
10 On note que, dans le compresseur 35, le flux d'air représenté par les flèches F1 est aspiré via l'entrée 51 suivant une direction axiale par rapport à l'axe des roues 351, 352 pour ensuite être refoulé suivant une direction sensiblement radiale via les sorties 52, 53 de chacune des roues 351, 352. [0028] La turbine 36 comprend deux entrées 55, 56 de gaz d'échappement ménagées 15 dans le carter 48 destinées à être reliées chacune à un groupe de conduits d'échappement, et une sortie 57 de gaz d'échappement ménagée dans le carter 48. Ainsi, au niveau de la turbine 36, les conduits d'échappement sont séparés en deux groupes 61, 62 (cf. figure 2). Chacun de ces groupes 61, 62 est connecté en entrée d'une roue 361, 362 de turbine spécifique. Dans le cas d'un moteur 31 à quatre cylindres, une des entrées 20 55 de la turbine 36 est reliée à un premier groupe de conduits 61 comportant les conduits d'échappement du premier et du quatrième cylindres, et l'autre entrée 56 de la turbine 36 est reliée à un deuxième groupe de conduits 62 comportant les conduits d'échappement du deuxième et troisième cylindres. Le numéro des cylindres correspond au comptage des cylindres par ordre croissant lorsqu'on se déplace d'une extrémité vers l'autre du carter 25 cylindres. Ainsi, le débit d'échappement est plus pulsé et les rendements des roues 361, 362 de la turbine 36 sont améliorés. [0029] Les gaz brulés détendus en sortie des deux roues 361, 362 de la turbine 36 se rejoignent en sortie 57 du carter 48 de la turbine 36. La jonction se fait dans le carter 48 de la turbine 36 de sorte qu'il n'y ait qu'un seul orifice de sortie du carter 48 de la turbine 36.
30 Les gaz sont alors acheminés vers le pot d'échappement du véhicule. On note que, dans la turbine 36, le flux d'air représenté par les flèches F2 est aspiré via les entrées 55, 56 suivant une direction sensiblement radiale par rapport à l'axe des roues 361, 362 pour ensuite être refoulé suivant une direction sensiblement axiale via la sortie 57. 3029567 6 [0030] En outre, une vanne de décharge 64 unique permet de court-circuiter la turbine 36 pour mettre en communication les gaz d'échappement en entrée de la turbine 36 avec la sortie 57 de la turbine 36. La vanne de décharge 64 permet ainsi de réguler la puissance récupérée sur l'arbre 39 du turbocompresseur 32 et donc 5 de réguler sa pression de suralimentation. [0031] Par ailleurs, un échangeur de chaleur 65, dit Refroidisseur d'Air de Suralimentation (RAS), apte à refroidir l'air circulant dans le conduit d'admission 43 est monté en aval du compresseur 35 et en amont d'un papillon d'arrivée des gaz. [0032] L'invention permet ainsi d'obtenir les mêmes prestations en transitoire que le 10 système bi-turbo classique tout en présentant l'avantage d'être beaucoup plus compact compte tenu de l'utilisation d'un turbocompresseur 32 unique. En outre, l'intégration du turbocompresseur 32 est facilitée, dans la mesure où la lubrification et le refroidissement du système peuvent être réalisés au moyen d'un seul raccordement en eau et en huile. Le contrôle moteur est également simplifié, puisque qu'il n'y a qu'une seule vanne de 15 décharge 64 et une seule pression de suralimentation à piloter au lieu de deux pour un système bi-turbo classique. [0033] On améliore également la répartition en air frais entre les cylindres car tous les cylindres voient la même pression d'admission contrairement à une architecture bi-turbo conventionnelle ou chaque banc de cylindres a une pression admission spécifique. 20 [0034] En variante, le compresseur 35 et la turbine 36 pourront comporter chacun plus de deux roues, le nombre d'entrées et de sorties de gaz de ces éléments étant alors adapté en fonction du nombre de roues utilisées.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Turbocompresseur (32) pour moteur thermique (31) de véhicule automobile comprenant: - un compresseur (35) destiné à être situé du côté de l'admission dudit moteur thermique (31), - une turbine (36) destinée à être située du côté de l'échappement dudit moteur thermique (31), caractérisé en ce que ledit compresseur (35) et ladite turbine (36) comportent chacun au moins deux roues (351, 352, 361, 362), ledit turbocompresseur (32) comportant en outre un arbre d'accouplement (39) accouplé aux deux roues (351, 352) dudit compresseur (35) et aux deux roues (361, 362) de ladite turbine (36).
  2. 2. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit compresseur (35) comprend: - une entrée (51) de gaz d'admission destinée à être reliée à un conduit d'admission (43) de telle façon qu'un flux d'air issu de l'admission se partage entre les deux roues (351, 352) dudit compresseur (35), et - deux sorties (52, 53) de gaz d'admission comprimés correspondant chacune à une roue (351, 352) dudit compresseur (35).
  3. 3. Turbocompresseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite turbine (36) comprend: - deux entrées (55, 56) de gaz d'échappement destinées à être reliées chacune à un groupe (61, 62) de conduits d'échappement, et - une sortie (57) de gaz d'échappement au niveau de laquelle se rejoignent les flux des gaz d'échappement issus des deux roues (361, 362) de ladite turbine (36).
  4. 4. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit compresseur (35) et ladite turbine (36) comportent chacun deux roues (351, 352; 361, 362) positionnées dos à dos.
  5. 5. Turbocompresseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les roues (351, 352) dudit compresseur (35) sont sensiblement identiques. 3029567 8
  6. 6. Turbocompresseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les roues (361, 362) de ladite turbine (36) sont sensiblement identiques.
  7. 7. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une vanne de décharge (64) permettant 5 de court-circuiter ladite turbine (36).
  8. 8. Architecture (30) de moteur thermique (31) suralimenté comportant un turbocompresseur (32) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  9. 9. Architecture selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle est configurée en sorte que les deux flux d'air frais comprimés issus des deux sorties (52, 53) dudit 10 compresseur (35) se rejoignent en amont d'un répartiteur d'admission (44).
  10. 10. Architecture selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que, dans le cas d'un moteur thermique (31) à quatre cylindres, - une des entrées (55) de ladite turbine (36) est reliée à un premier groupe (61) de conduits comportant les conduits d'échappement d'un premier 15 et d'un quatrième cylindres, et - l'autre entrée (56) de ladite turbine (36) est reliée à un deuxième groupe (62) de conduits comportant les conduits d'échappement d'un deuxième et d'un troisième cylindres.
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