FR2877397A1 - Turbocompresseur a geometrie variable pour moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

Turbocompresseur à géométrie variable pour moteur à combustion interne dans lequel la roue de turbine 2 est disposée dans une volute 8 définie par deux demi-carters 16, 17 ; 35, 36 assemblés entre eux et coopère avec un dispositif distributeur à vannes pivotantes 9, caractérisé par le fait que l'un des demi-carters 17, 36 présente une face de référence 21, 38 sensiblement plane contre laquelle les vannes pivotantes 9 viennent s'appuyer, ledit demi-carter supportant seul les axes de pivotement 9a des vannes montés en porte-à-faux et traversant ledit demi-carter, le mécanisme de pivotement des vannes étant également supporté par ledit demi-carter de support.

Description

Turbocompresseur à géométrie variable pour moteur à combustion interne.

La présente invention est relative à un turbocompresseur à géométrie variable pour moteur à combustion interne, et en particulier à une structure spécifique de montage de vannes pivotantes sur les éléments de carter de la turbine du turbocompresseur.

Les turbocompresseurs à géométrie variable sont utilisés notamment dans les moteurs à combustion interne pour fournir à l'admission du moteur, de l'air à une pression supérieure à la pression atmosphérique. A cet effet, la pression de l'air d'admission est augmentée par son passage dans un compresseur entraîné en rotation par une turbine qui est montée sur le même arbre que le compresseur et qui est entraînée en rotation par les gaz d'échappement issus du moteur à combustion. L'énergie des gaz d'échappement est ainsi en partie récupérée par la turbine. Pour tenir compte des conditions de fonctionnement du moteur, il est intéressant de pouvoir faire varier le taux de récupération d'énergie des gaz d'échappement par la turbine en modifiant la géométrie du distributeur d'entrée de la turbine.

La plupart des turbocompresseurs à géométrie variable comportent donc, dans les distributeurs d'entrée de la turbine, une pluralité de vannes pivotantes dont l'orientation peut être commandée de façon à modifier le rendement de la turbine.

La demande de brevet EP-A-O 226 444 (GARRETT) décrit par exemple un tel turbocompresseur à géométrie variable. Dans ce document, la volute de la turbine est définie dans un carter de turbine, lui-même fixé sur le carter central du turbocompresseur par l'intermédiaire d'un flasque. Le mécanisme d'actionnement des vannes pivotantes est monté sur le flasque intermédiaire au moyen d'un certain nombre d'organes intercalaires.

Le brevet GB-A-2 183 302 décrit une disposition des organes d'actionnement des vannes pivotantes, inversée par rapport au document précédent, dont l'ensemble est monté à l'intérieur d'un organe supplémentaire fixé au carter de la turbine du côté de la sortie des gaz d'échappement.

Enfin, le brevet GB 731 822 décrit le montage d'un ensemble de vannes pivotantes dans un distributeur à l'entrée d'une turbine. La volute de la turbine est définie par deux demi-carters fixés entre eux. Les axes de pivotement des vannes pivotantes s'étendent de chaque côté de celles-ci et sont soutenus dans des alésages pratiqués dans les flancs opposés des deux demi-carters.

Toutes ces dispositions connues présentent des inconvénients, dans la mesure où un nombre de pièces relativement important doit être prévu pour le montage des vannes pivotantes et de leur dispositif d'actionnement. De plus, des opérations d'usinage spécifique doivent être prévues, ce qui augmente le coût du dispositif final.

La présente invention a pour objet un turbocompresseur à géométrie variable, de structure plus simple et de réalisation moins onéreuse.

L'invention a également pour objet de réduire la masse des éléments suspendus ainsi que l'inertie thermique du carter de turbine d'un turbocompresseur à géométrie variable.

Selon un mode de réalisation, le turbocompresseur à géométrie variable pour moteur à combustion interne comprend une roue de turbine disposée dans une volute définie par deux demi-carters assemblés entre eux et coopèrant avec un dispositif distributeur à vannes pivotantes. L'un des demi-carters présente une face de référence sensiblement plane contre laquelle les vannes pivotantes viennent s'appuyer. Ce demi-carter, appelé par la suite demi-carter de support , supporte seul les axes de pivotement des vannes, ces axes étant montés en porte-à-faux el traversant l'épaisseur dudit demi- carter de support. Le mécanisme de pivotement des vannes est également supporté par le demi-carter de support.

Grâce à cette disposition, l'ensemble des organes mobiles comprenant notamment les vannes pivotantes ainsi que leurs moyens d'actionnement, se trouve supporté par un seul demi-carter. Il en résulte une grande simplicité de conception et de montage du turbocompresseur à géométrie variable. De plus, le positionnement concentrique radial des vannes pivotantes comme leur guidage axial, est assuré avec précision par la face de référence.

La face de référence formée sur la paroi du demi-carter de support peut présenter une pluralité de bossages pour la réception et le guidage des axes de pivotement des vannes.

Les axes de pivotement des vannes peuvent être montés directement dans des alésages traversants pratiqués dans l'épaisseur de la paroi du demicarter de support, au droit desdits bossages s'ils ont été prévus.

En variante, les axes de pivotement des vannes peuvent être montés dans des manchons de guidage logés dans des alésages traversants pratiqués dans l'épaisseur de la paroi du demi-carter de support.

Dans un mode de réalisation, le demi-carter de support est réalisé sous la forme d'un plateau sensiblement radial monté entre la volute de la turbine et un carter central supportant un arbre commun à la turbine et au compresseur, l'ensemble du mécanisme de pivotement des vannes étant logé entre ledit plateau et le carter central.

Dans un autre mode de réalisation, l'un des demi-carters est réalisé sous la forme d'un plateau sensiblement radial monté entre la volute de la turbine et un carter central supportant un arbre commun à la turbine et au compresseur, le demi-carter de support faisant face audit plateau. L'ensemble du mécanisme de pivotement des vannes est disposé à l'extérieur du demi-carter de support, entre celui-ci et un élément de protection.

La face de référence du demi-carter de support et/ou la face opposée de l'autre demi-carter peuvent être usinées pour former un redan au droit de la zone des vannes pivotantes du côté de l'entrée du distributeur. De tels redans constituent des déflecteurs d'entrée du distributeur réduisant les turbulences par la création d'un meilleur écoulement du flux des gaz d'échappement pénétrant dans la turbine du turbocompresseur. Ces redans permettent également de limiter les risques de projection de micro particules entre les vannes pivotantes et les faces en regard des demi-carters. Enfin, ces redans peuvent être utilisés en tant que butées d'ouverture maximale des vannes pivotantes.

Le mécanisme de pivotement des vannes comprend avantageusement une pluralité de bras de pivotement solidaires chacun respectivement d'une des vannes pivotantes et muni chacun d'un doigt de commande. Un anneau de commande présente une pluralité de fentes pour recevoir les doigts de commande. Des moyens de centrage de l'anneau de commande sont prévus ainsi qu'un levier d'actionnement de l'anneau de commande.

Le centrage de l'anneau de commande peut se faire par des patins de guidage montés axialement sur le demi-carter de support, en saillie vers l'anneau de commande. De cette manière, tout contact périphérique entre l'anneau de commande et le demi-carter de support ou le carter central du turbocompresseur est évité de sorte que tout risque de blocage de l'anneau de commande, par exemple en cas de corrosion du carter central, est écarté.

La présente invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés sur les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un turbocompresseur selon un premier mode de réalisation de l'invention, la vue correspondant à la coupe I-I de la figure 2; -la figure 2 est une vue en coupe selon II-II de la figure 1.

- la figure 3 est une vue en coupe analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation; et - la figure 4 est une vue en coupe analogue à la figure 1 d'un deuxième mode de réalisation de l'invention.

:15 Tel qu'il est illustré sur les figures 1 et 2, le turbocompresseur comprend une turbine 1 dont la roue 2 munie d'aubes 3 est montée sur un arbre rotatif 4 commun à la roue 5 d'un compresseur 6 muni d'une pluralité d'aubes 7. La roue de turbine 2 est disposée dans une volute en spirale 8 qui reçoit sur son entrée non illustrée sur la figure, les gaz d'échappement provenant d'un moteur à combustion interne, en particulier de véhicule automobile. Les gaz d'échappement sont amenés sur les aubes 3 de la turbine par un dispositif distributeur présentant une pluralité de vannes pivotantes 9. La rotation de la roue de turbine 2, provoquée par le passage des gaz d'échappement avant qu'ils ne soient délivrés par la sortie 10, entraîne la rotation de l'arbre 4 qui lui-même provoque la rotation de la roue de compresseur 5 équipée de ses aubes 7. L'air d'admission pour le moteur à combustion interne pénètre par l'entrée 11 avant d'être comprimé par la rotation du compresseur 6 qui délivre l'air comprimé dans une volute en spirale 12 reliée à la conduite d'admission du moteur à combustion interne. Des moyens de lubrification appropriés, non illustrés sur la figure 1, assurent la lubrification des paliers supportant l'arbre rotatif 4.

La volute 12 du compresseur 6 est définie par un carter 13 de compresseur, à l'intérieur duquel est montée la roue de compresseur 5. Le carter 13 est fixé sur un flasque radial de support 14, qui est à son tour fixé sur un carter central 15, à l'intérieur duquel sont montés les moyens de lubrification et les paliers de support de l'arbre rotatif 4.

La volute de la turbine 1 est, quant à elle, définie par un demi- carter 16 à l'intérieur duquel est montée la roue de turbine 2 et un demi- carter 17 fixé, par exemple par des vis axiales 18, sur une face radiale 19 du demi-carter 16 avec éventuellement interposition de joints d'étanchéité appropriés.

Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le demi-carter 17, qui sera appelé dans la suite de la description le demi-carter de support , se présente sous la forme d'un plateau sensiblement radial monté entre le demi-carter 16 comportant la volute de turbine 8 et le carter central 15. Un organe 20 en forme de cloche tronconique est disposé dans l'alésage central du demi-carter de support 17, entre ce dernier et le carter central 15, afin d'assurer une protection thermique des différents éléments du turbocompresseur, en particulier les paliers montés dans le carter central 15 ainsi que les moyens d'actionnement des vannes pivotantes 9, à l'encontre de la température dégagée par les gaz d'échappement traversant la turbine.

Le plateau constituant le demi-carter de support 17 présente, du côté des aubes 3 de turbine, une face de référence usinée 21 sensiblement plane et radiale, contre laquelle viennent s'appuyer, avec un jeu fonctionnel approprié, les vannes pivotantes 9. Chaque vanne 9 est fixée, par exemple par soudure, sur un axe de pivotement 9a. Les différents axes de pivotement 9a sont montés en porte-à-faux, directement dans des alésages pratiqués sur le demi-carter de support 17 et traversant celui-ci de part en part. A l'endroit de chacun de ces alésages, le demi-carter de support 17 présente un bossage 22 qui peut être rapporté sur la surface du demi--carter de support 17 à l'opposé de la face de référence 21 ou être fixé sur celle-ci, par exemple par soudure. Un tel bossage améliore le soutien de l'axe de pivotement 9a de la vanne pivotante 9 correspondante.

La commande de pivotement des différentes vannes pivotantes 9 est effectuée au moyen d'une pluralité de bras de commande 23. Chacun des bras de commande 23 est fixé, par exemple par soudure, à l'extrémité d'un axe de pivotement 9a au voisinage de l'une de ses extrémités. Le bras de commande 23 est disposé sensiblement dans un plan radial et présente à son extrémité opposée à l'axe de pivotement 9a un doigt de commande axial 24 capable de pénétrer à l'intérieur d'une fente 25 (figure 2) pratiquée à la périphérie d'un anneau de commande 26. L'anneau de commande 26 présente un alésage central de grand diamètre, de façon à pouvoir venir s'appuyer par cet alésage, sur des patins de guidage 27, au nombre de trois dans l'exemple illustré, et disposés à intervalles sensiblement réguliers comme on peut le voir sur la figure 2 en étant montés axialement sur le demi-carter de support 17. La rotation de l'anneau de commande 26 est provoquée par une action sur un levier de commande radial 28, visible sur la figure 2 et représenté schématiquement. Une rotation de l'anneau de commande 26 provoquée par le levier de commande 28 entraîne, par l'intermédiaire des différentes fentes 25 qui agissent sur les doigts de commande 24, une rotation simultanée de l'ensemble des bras de commande 23 et ainsi un pivotement correspondant de l'ensemble des vannes pivotantes 9.

L'ensemble du mécanisme de commande de pivotement des différentes vannes pivotantes 9 se trouve logé entre la face externe du demi-carter de support 17 opposée à la face de référence 21 et le carter central 15 qui comporte à cet effet un renfoncement 29 visible sur la figure 1. Les axes de pivotement 9a des vannes 9 sont quant à eux montés en porte-à-faux sur le demi-carter de support 17. Dans ces conditions, le demi-carter 17 supporte à la fois l'ensemble des vannes pivotantes 9 par l'intermédiaire de leurs axes de pivotement 9a et la totalité du mécanisme de commande de pivotement des vannes pivotantes 9, ce mécanisme comprenant non seulement les bras de commande 23, mais également l'anneau de commande 26 qui est supporté par les patins de guidage 27 fixés directement sur le demicarter de support 17.

Le demi-carter 16 comprenant la volute 8 de la turbine présente également, dans l'exemple illustré sur la figure 1, une face de référence usinée disposée dans un plan radial et référencée 30 au droit des vannes pivotantes 9. Les vannes 9 se trouvent ainsi supportées par le demicarter de support 17 et guidées à la fois par la face de référence 21 du demi-carter de support 17 et par la face de référence 30 du demi-carter 16, un jeu fonctionnel approprié étant chaque fois maintenu entre les faces de référence et les surfaces radiales correspondantes des vannes pivotantes 9.

Dans l'exemple illustré sur la figure 1, des redans 31 et 32 ont en outre été usinés sur les faces de référence respectives 21 et 30 au droit de la zone des vannes pivotantes 9 du côté de l'entrée du distributeur comprenant la volute de turbine 8. Ces redans 31, 32 forment des déflecteurs d'entrée du distributeur améliorant l'écoulement du flux des gaz d'échappement par convergence vers la zone centrale des vannes pivotantes. 9. De plus, les redans 31 et 32 peuvent être utilisés en tant que butées mécaniques d'ouverture maximale pour les vannes pivotantes 9.

La figure 3, sur laquelle les pièces similaires portent les mêmes références, montre une variante de montage des axes de pivotement 9a qui traversent ici la paroi du demi-carter de support 17 par l'intermédiaire de manchons de guidage 33 insérés à l'intérieur des alésages pratiqués dans le demi-carter de support 17. Chaque manchon 33 présente une partie cylindrique de guidage 33a et une collerette 33b qui fait saillie à l'extérieur du demi-carter de support 17 à l'opposé de la face de référence 21. Pour le reste, la structure et le montage des divers éléments sont les mêmes que dans le cas des figures 1 et 2.

La figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation d'un turbocompresseur à géométrie variable selon la présente invention. Sur cette figure, les pièces similaires portent les mêmes références que sur les figures précédentes.

Dans ce deuxième mode de réalisation, la volute de turbine 34 est du type redressé, la spirale se plaçant dans l'axe de l'entrée du distributeur. L'un des demi-carters de turbine est réalisé sous la forme d'un plateau 35 sensiblement radial, tandis que l'autre demi-carter 36 incluant la volute 34 joue le rôle de demi-carter de support . A ce titre, le demi- carter 36 présente une pluralité d'alésages 37 pour le montage en porte-à- faux des axes de pivotement 9a des vannes pivotantes 9. L'ensemble du mécanisme de commande de pivotement des vannes 9 se trouve cette fois inversé par rapport au mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2 et disposé à l'extérieur du demi-carter de support 36. La face de référence 38 est usinée dans une zone du demi-carter de support 36 destinée à recevoir les vannes pivotantes 9 et faisant face au plateau 35 constituant le deuxième demi-carter de la turbine. De cette manière, les vannes pivotantes 9 sont guidées comme dans le mode de réalisation précédent, par la face de référence 38 du demi-carter de support 36 et une face de référence opposée usinée sur le plateau radial 35.

Les différents éléments du mécanisme de commande de pivotement des vannes 9 sont les mêmes que dans le mode de réalisation précédent et l'on retrouve en particulier les différents bras de commande 23 ainsi que l'anneau de commande 26 soutenu par les patins de guidage 27 qui sont ici fixés sur la face externe du demi-carter de support 36, à l'opposé de la face de référence 38. Une plaque de protection 39 vient fermer le logement à l'intérieur duquel est monté l'ensemble du mécanisme de commande de pivotement des vannes 9.

Chacun des demi-carters de la turbine peut être réalisé par fonderie de précision ou moulage en acier fritté, limitant ainsi la complexité et le coût d'enlèvement de matière important par reprise d'usinage, tout en facilitant l'obtention de cloisons et parois minces favorable à la réduction de masse et d'inertie thermique.

L'épaisseur des plateaux formant demi-carters est adaptée aux dimensions de la turbine et de la volute. On utilisera généralement une épaisseur de paroi comprise entre 3 et 5 mm pour une roue de turbine d'un diamètre de 45 mm, et une spirale de rayon intermédiaire.

L'assemblage des deux demi-carters de la turbine peut se faire par tout moyen approprié, tels que vissage après adjonction d'un dispositif d'étanchéité adapté aux contraintes thermiques, soudage ou tout autre moyen garantissant l'absence de fuite de gaz sur le pourtour de la volute après assemblage.

La disposition et le montage des vannes pivotantes et de leur mécanisme de commande de pivotement selon l'invention, permet d'obtenir une grande simplification et une structure plus compacte que dans les dispositifs connus. Dans tous les cas, une variation d'orientation des vannes pivotantes à l'entrée du distributeur modifiant l'incidence des gaz d'échappement sur les aubes de la turbine entraîne une variation de puissance de la turbine et ainsi une modification de la pression de l'air alimentée dans le moteur thermique en sortie du compresseur.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Turbocompresseur à géométrie variable pour moteur à combustion interne dans lequel la roue de turbine (2) est disposée dans une volute (8) définie par deux demi-carters (16, 17; 35, 36) assemblés entre eux et coopère avec un dispositif distributeur à vannes pivotantes (9), caractérisé par le fait que l'un des demi-carters (17, 36) présente une face de référence (21, 38) sensiblement plane contre laquelle les vannes pivotantes (9) viennent s'appuyer, ledit demi-carter supportant seul les axes de pivotement (9a) des vannes montés en porte-à-faux et traversant ledit demi-carter, le mécanisme de pivotement des vannes étant également supporté par ledit demi-carter de support.

2. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les axes de pivotement (9a) des vannes sont montés directement dans des alésages traversants pratiqués dans l'épaisseur de la paroi dudit demicarter de support.

3. Turbocompresseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les axes de pivotement des vannes sont montés dans des manchons de guidage (33) logés dans des alésages traversants pratiqués dans l'épaisseur de la paroii dudit demi-carter de support.

4. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la paroi dudit demi-carter de support présente une pluralité de bossages (22) pour la réception et le guidage des axes de pivotement des vannes.

5. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le demi-carter de support (17) est réalisé sous la forme d'un plateau sensiblement radial monté entre la volute de la turbine et un carter central (15) supportant un arbre (4) commun à la turbine et au compresseur, l'ensemble du mécanisme de pivotement des vannes étant logé entre ledit plateau et le carter central.

6. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'un des demi-carters (35) est réalisé sous la forme d'un plateau sensiblement radial monté entre la volute de la turbine et un carter central supportant un arbre commun à la turbine et au compresseur, le demi-carter de support (36) faisant face audit plateau, l'ensemble du mécanisme de pivotement des vannes étant disposé à l'extérieur du demi-carter de support, entre celui-ci et un élément de protection (39).

7. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la face de référence dudit demi-carter de support et/ou la face opposée de l'autre demi-carter ont été usinées pour former un redan (31, 32) au droit de la zone des vannes :15 pivotantes du côté de l'entrée du distributeur.

8. Turbocompresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le mécanisme de pivotement des vannes comprend une pluralité de bras de pivotement (23) solidaires chacun respectivement d'une des vannes pivotantes et muni chacun d'un doigt de commande (24), un anneau de commande (26) présentant une pluralité de fentes (25) pour recevoir les axes de commande, des moyens de centrage (27) de l'anneau de commande et un levier d'actionnement (28) de l'anneau de commande.