FR2909729A1

FR2909729A1 - Turbocompresseur avec filtre cyclone integre et procede de filtration a cyclone dans un carter compresseur de turbomachine

Info

Publication number: FR2909729A1
Application number: FR0610765A
Authority: FR
Inventors: Thierry Grando
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2008-06-13
Anticipated expiration: 2026-12-11
Also published as: WO2008071501A1; FR2909729B1

Abstract

Le turbocompresseur comporte un filtre cyclone intégré dans le carter du compresseur et une sortie (S2), distincte de la sortie (S1) destinée au flux de gaz comprimé (F'), pour acheminer des particules (par) indésirables vers un circuit (14) de récupération d'impuretés. Une cloison perforée (12) sépare un volume central (V) d'un canal périphérique (13) intégré dans le carter compresseur et servant à l'extraction des particules (par). Ce canal périphérique (13) peut avantageusement être placé à l'opposé d'une première paroi (P1) du carter compresseur (1) orientée du côté des sorties respectives (S1, S2) du carter compresseur (1).Pour éviter d'acheminer des particules indésirables (huile) vers le moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, le procédé prévoit donc de se servir du compresseur centrifuge d'une turbomachine plutôt que de rajouter un ou plusieurs cyclones, ce qui pose des problèmes d'intégration.

Description

Turbocompresseur avec filtre cyclone intégré et procédé de filtration à

cyclone dans un carter compresseur de turbomachine La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne suralimentés, notamment de véhicules automobiles, et propose en particulier un turbocompresseur avec filtre cyclone intégré et un procédé de filtration à cyclone dans un carter compresseur de turbomachine. De nos jours, de nombreux véhicules automobiles à moteur thermique comportent, en sortie du moteur, un turbocompresseur. De façon connue, le turbocompresseur est un système qui récupère une partie de l'énergie des lo gaz d'échappement d'un moteur à explosion afin de comprimer l'air alimentant le moteur, améliorant ainsi son rendement. L'écoulement des gaz d'échappement permet d'entraîner une turbine servant à faire tourner une roue comprimant du gaz d'alimentation. La pollution de l'air d'admission sur les moteurs à combustion interne 15 peut engendrer des problèmes d'encrassement des conduits d'admission (refroidisseur d'air, soupapes, différents actionneurs et capteurs positionnés sur le circuit), voire de la chambre de combustion. Dans le cas de pollution par présence d'huile, des risques de combustions anormales peuvent être favorisés, et même déclenchés, au détriment de la tenue mécanique du 20 moteur. Il est connu, par le document US 2004/0168415 (ou son équivalent EP 1 424 133), d'utiliser dans un système de ventilation du carter moteur un séparateur centrifuge pour séparer les impuretés indésirables (huile) entraînées dans un flux de gaz. La rotation de ce séparateur est actionnée 25 axialement par l'intermédiaire d'un couplage entre deux arbres respectifs dont l'un est solidaire d'une turbine et l'autre est solidaire du séparateur. Afin d'entraîner la rotation du séparateur, la turbine est mise en rotation sous l'effet d'une différence de pression issue de la partie de compression d'un turbocompresseur extérieur. Ceci permet de faire tourner le séparateur 30 centrifuge à une vitesse élevée et d'améliorer la qualité de la séparation des 2909729 2 impuretés dans un flux de gaz traversant un système de ventilation du carter de moteur. L'utilisation de plus en plus massive de la suralimentation sur les moteurs actuels et futurs amène un risque de pollution d'huile 5 supplémentaire, par fuite au niveau du compresseur positionné dans la ligne d'admission : - pour un compresseur mécanique, il existe un risque de fuite au niveau des pistons ; - pour un compresseur de turbomachine, un risque de fuite io apparaît au niveau des paliers. II est connu par le document DE 103 36 206 un système de séparation de particules prévu pour le flux de suralimentation et comprenant en amont du compresseur et en aval du refroidisseur de gaz de suralimentation un cyclone pour extraire les particules. Un inconvénient de ce système est 15 l'encombrement pour intégrer chacun des cyclones dans la ligne d'admission du moteur à combustion interne. Il existe donc un besoin pour une solution simple permettant de traiter de la manière la plus complète possible les problèmes d'encrassement en prenant en compte les risques de fuite dans la ligne d'admission.

20 La présente invention a pour but de pallier un ou plusieurs inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé permettant de mieux extraire les impuretés (huile..) pouvant se retrouver dans un flux de gaz alimentant le moteur. Ce but est atteint par un procédé de filtration à cyclone pour fournir un 25 flux de gaz de suralimentation, destiné à un moteur à combustion interne, exempt de particules indésirables, comprenant une étape d'admission du flux de gaz dans un carter compresseur d'une turbomachine refoulant un flux de gaz comprimé vers le moteur, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de centrifugation des particules indésirables entraînées 30 dans le flux de gaz admis, par une rotation d'une roue de compresseur dans un volume central du carter compresseur ; 2909729 3 une étape de transfert des particules entraînées par la roue du compresseur vers un canal périphérique formé sur au moins une partie de la périphérie du volume central du carter compresseur et communiquant avec ce volume central ; et 5 - une étape de récupération des particules (par) dans un circuit (14) de récupération d'impuretés connecté au canal périphérique (13). Ainsi, il est très avantageusement permis de réaliser une extraction des impuretés par filtration en amont de conduits de suralimentation du moteur sans problème d'encombrement. Plutôt que de rajouter un ou io plusieurs cyclones, ce qui pose des problèmes d'intégration (volume sous capot restreint, perte de charge aérodynamique), le procédé selon l'invention utilise un élément déjà présent dans la ligne d'admission, et qui déjà centrifuge le gaz de suralimentation (air ambiant). Selon une autre particularité, le procédé comprend une étape de 15 guidage des particules par le canal périphérique pour acheminer lesdites particules vers une sortie basse du carter compresseur, le flux de gaz délesté desdites particules étant refoulé vers une sortie haute du carter compresseur. Ainsi, les particules descendent aussi par gravité vers la sortie basse 20 du carter compresseur, ce qui permet d'extraire ces particules en dehors du turbo compresseur, même lors de l'arrêt du moteur. Selon une autre particularité, le guidage des particules vers la sortie basse est réalisé suivant une trajectoire circulaire descendante, délimitée extérieurement par une paroi du carter compresseur et intérieurement par 25 une cloison perforée. Ainsi, le filtre cyclone intégré dans le carter compresseur permet de parfaitement confiner les particules dans le canal périphérique d'extraction. Selon une autre particularité, l'étape d'admission du flux de gaz dans le carter compresseur est réalisée selon une direction dite axiale parallèle à 30 un axe de rotation permettant de faire tourner la roue du compresseur, le flux de gaz comprimé et les particules sortant du carter compresseur par des 2909729 4 sorties respectives distinctes qui sont chacune orthogonales à l'axe de rotation. Selon une autre particularité, l'étape de récupération des particules pourrait comprendre une étape de filtration par un filtre à particules, et une 5 étape d'acheminement des gaz circulant dans le circuit de récupération vers le circuit d'échappement du moteur, en aval de la turbine du turbocompresseur. Ainsi, le débit d'air résiduel peut être récupéré en sortie de la turbine du turbocompresseur. Le circuit de récupération peut être parallèle à une io soupape "Wastegate" de surpression. Le filtre à particules peut être dimensionné pour être changé seulement au bout de plusieurs années d'utilisation du véhicule automobile motorisé. Un objet supplémentaire de la présente invention est de proposer un système relativement simple de conception permettant de mieux extraire les 15 impuretés (huile..) pouvant se retrouver dans un flux de gaz alimentant le moteur. A cet effet, l'invention concerne un turbocompresseur pour moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre cyclone intégré dans le carter du compresseur et une 20 sortie, distincte de la sortie destinée au flux de gaz comprimé, pour acheminer des particules indésirables vers un circuit de récupération d'impuretés. Ainsi, le système selon l'invention permet d'implanter un filtre cyclone sans problème d'encombrement.

25 Selon une autre particularité, le turbocompresseur comprend une cloison perforée séparant un volume central du carter compresseur d'un canal périphérique intégré dans le carter compresseur. Selon une autre particularité, le turbocompresseur comporte une sortie basse du carter compresseur pour acheminer les particules indésirables vers 30 le circuit de récupération d'impuretés et une sortie haute du carter compresseur pour refouler un flux de gaz délesté desdites particules.

2909729 5 Selon une autre particularité, le turbocompresseur comprend de façon concentrique autour d'une roue du compresseur : une cloison perforée dans le prolongement d'une première paroi du carter compresseur ; et s une deuxième paroi du carter compresseur délimitant avec la cloison perforée un canal périphérique connecté au circuit de récupération d'impuretés. Selon une autre particularité, le canal périphérique est placé à l'opposé de la première paroi du carter compresseur. io Selon une autre particularité, lesdites sorties respectives sont situées dans des cornes de même orientation du carter compresseur, chacune de ces cornes étant orthogonales à l'axe de rotation d'une roue du compresseur. Selon une autre particularité, le turbocompresseur comprend une 15 cloison perforée délimitant avec une paroi extérieure du carter compresseur un canal périphérique et des moyens associés à la cloison perforée pour contrôler l'accès au canal périphérique au travers de la cloison perforée. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en 20 référence aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 et 2 montrent respectivement une vue en coupe axiale et une vue en coupe transversale d'un carter compresseur d'un turbocompresseur selon l'invention ; la figure 3 illustre un exemple d'implantation d'un 25 turbocompresseur selon l'invention. En référence aux figures 1 et 3, il est prévu de se servir du compresseur (10) centrifuge d'une turbomachine, et d'y intégrer le filtre cyclone dans son carter (1). L'air contenant les impuretés (huile par exemple) entre dans le carter compresseur (1), sous la forme d'un flux de gaz (F) 30 chargé en impuretés. L'admission du flux de gaz dans le carter compresseur (1) est réalisée selon une direction dite axiale parallèle à un axe de rotation 2909729 6 (A) permettant de faire tourner la roue (11) du compresseur (10). La rotation de la roue (11) s'effectue dans un volume central (V) du carter compresseur (1). Le gaz rentre donc axialement dans la roue (11) du compresseur (10) et est mis en rotation autour de l'axe (A). Le turbocompresseur (10, 20) peut 5 être doté d'un axe (A) horizontal. Dans un mode de réalisation de l'invention, le procédé de filtration à cyclone est réalisé dans le carter compresseur (1) de turbomachine et comprend une centrifugation des particules indésirables (par) entraînées dans le flux de gaz admis. Cette centrifugation résulte de la rotation de la ~o roue (11) de compresseur (10) du carter compresseur (1). Les particules (par) entraînées par la roue (11) du compresseur (10) sont transférées vers un canal périphérique (13), interne au carter compresseur (1). Ce canal (13) communique avec un volume central (V) du carter compresseur (1) où les particules (par) du flux (F) sont amenées dans un premier temps. Dans un 15 second temps, sous l'action de la force centrifuge, les particules (par) rentrent dans le canal périphérique (13). Comme illustré aux figures 2 et 3, le turbocompresseur (10, 20) comprend une cloison perforée (12) séparant le volume central (V) du carter compresseur (1), correspondant à la roue (11) de compresseur, du canal 20 périphérique (13). Cette cloison perforée (12) laisse passer les particules (par) centrifugées ainsi qu'un débit résiduel de gaz. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les particules (par) amenées selon une direction radiale dans le canal sont ensuite guidées par le canal périphérique (13) pour être acheminées vers une sortie basse (S2) du carter compresseur 25 (1). Le flux de gaz délesté desdites particules (par) et comprimé, est refoulé vers une sortie haute (SI) du carter compresseur (1). On comprend dans ce cas que le guidage des particules vers la sortie basse (S2) s'effectue suivant une trajectoire circulaire descendante, délimitée extérieurement par une paroi (P2) du carter compresseur (1) et intérieurement par la cloison perforée 30 (12). Inversement, le flux de gaz comprimé suit une trajectoire circulaire ascendante avant d'être extrait par la sortie haute (Si). Le flux de gaz comprimé (F') et les particules (par) doivent sortie du carter compresseur (1) 2909729 7 par des sorties (Si, S2) respectives distinctes, qui sont par exemple chacune orthogonales à l'axe de rotation (A). En référence aux figures 2 et 3, les particules (par) sont évacuées du canal périphérique (13) par la sortie (S2) spécifique du carter compresseur 5 (1) et récupérées dans un circuit (14) de récupération d'impuretés connecté au canal périphérique (13). La cloison perforée (12) s'étend par exemple entre la sortie (S2) destinée aux impuretés et la sortie (Si) destinée au flux de gaz comprimé (F'), en formant un semi-cylindre. La cloison perforée (12) et la paroi (P2) du carter compresseur (1) délimitant le canal périphérique io peuvent former des semi-cylindres concentriques. Une autre paroi (P1) du carter compresseur (1) forme un semi-cylindre en vis-à-vis de la cloison perforée (12). Le carter compresseur (1) est délimité extérieurement par les deux parois (P1, P2) et peut comprendre deux cornes séparant ces parois (P1, P2).

15 Les sorties respectives (Si, S2) du carter compresseur (1) sont situées dans les cornes, qui ont par exemple une même orientation. Chacune de ces cornes est orthogonale à l'axe de rotation (A) de la roue (11) du compresseur (10) dans le mode de réalisation de la figure 2. Le canal périphérique (13) est placé à l'opposé d'une première paroi (P1) du carter 20 compresseur (1). Cette première paroi (P1) est prolongée, au niveau de la corne servant à évacuer les particules (par), par la cloison perforée (12) comme illustré à la figure 2. La deuxième paroi (P2) du carter compresseur (1) complète la première paroi (P1) et délimite alors avec la cloison perforée (12) le canal périphérique (13).

25 En référence à la figure 3, le moteur (M) à combustion interne est alimenté en aval par un collecteur d'admission (4) du moteur. Un collecteur d'échappement (5) permet d'évacuer les gaz sortant du moteur (M). Un conduit de recirculation (30) de gaz brûlés peut être prévu pour les réinjecter dans le collecteur d'admission (4). Un refroidisseur d'air de suralimentation 30 (RAS) peut permettre de refroidir en amont du collecteur d'admission (4) un mélange formé de gaz brûlés et d'air issu du compresseur de suralimentation.

2909729 8 Le turbocompresseur (10, 20) comporte, comme connu en soi, une première chambre traversée par les gaz d'échappement et une seconde chambre (V) traversée par l'air alimentant le moteur (M). Dans chaque chambre est disposée une roue. La roue (11) de compresseur est accouplée 5 en rotation à la roue de turbine, de sorte que l'air introduit dans le moteur (M) est comprimé sous l'action de la roue (11) de compresseur entraînée par la roue de turbine qui est mue par la circulation des gaz d'échappement. Le turbocompresseur (10, 20) peut être doté d'une soupape "Wastegate" de surpression (wg) permettant de définir la pression de l'air à injecter (soupape io de sécurité de la suralimentation). Le circuit (14) de récupération d'impuretés peut comporter une conduite reliant la sortie (S) de carter compresseur (1) à une unité (6) de traitement du flux résiduel chargé en particules (par). Dans le mode de réalisation de la figure 3, un filtre (60) à particules permet de filtrer les is particules (par) acheminées vers l'unité (6) via la conduite. On comprend dans ce cas que le filtre cyclone intégré dans le carter compresseur (1) constitue un pré-filtre avant le filtre (60) à particules prévu dans l'unité (6) de traitement. Le flux gazeux résiduel filtré à travers l'unité (6) peut être acheminé vers une sortie d'une turbine (20) du turbocompresseur (10, 20).

20 Le fait d'intégrer le filtre cyclone dans le carter compresseur (1) permet de ne pas modifier les composants de la ligne admission moteur. II n'y a ainsi pas de contrainte majeure lié à l'encombrement sous le capot du véhicule automobile. La modification à apporter au carter compresseur de la turbomachine reste limitée. En outre, l'intégration de ce filtre cyclone dans le 25 carter compresseur (1) évite la pollution de la ligne admission en cas de fuite (huile par ex.) au niveau du palier de la turbomachine. Dans un mode de réalisation de l'invention, le turbocompresseur comprend des moyens de contrôle associés à la cloison perforée (12) pour contrôler l'accès au canal périphérique (13) au travers de la cloison perforée 30 (12). Cela permet de disposer d'une section de passage variable et pilotée au travers de la cloison perforée. En contrôlant une ouverture plus ou moins grande des entrées d'accès au canal périphérique (13), il est permis 2909729 9 d'associer les notions de nettoyage de l'air et d'optimisation des performance du moteur (M). En fermant la section de passage vers le canal périphérique (13), on annule le flux d'air résiduel s'échappant avec les particules (par), entraînant 5 instantanément une augmentation du débit d'air envoyé vers l'admission du moteur (flux F'). Dès lors, les moyens de contrôle peuvent avantageusement être utilisés pour fournir une réserve de couple moteur. II faut pour cela fermer l'accès au canal périphérique (13). A titre d'exemple, il pourrait être imposé en fonctionnement normal du moteur (M), pour un point de io fonctionnement stabilisé, un court circuit volontaire grâce aux moyens de contrôle associés à la cloison perforée (12). Une grille ou un quelconque obturateur masquant la cloison perforée (12) peut par exemple être mobile entre une position pour libérer au maximum l'accès au canal périphérique (13) et une position d'obturation. Cette dernière position est actionnée 15 lorsqu'il y a un besoin d'un couple moteur supplémentaire (cela constitue une réserve de couple moteur). Lors d'une accélération (fonctionnement transitoire du moteur), la fermeture du circuit (14) prédisposerait en effet à une montée en couple plus rapide (via la pression collecteur augmentée). Un autre exemple d'utilisation de ces moyens de contrôle est la levée 20 de pied (fermeture du papillon des gaz) : un acheminement du gaz vers la sortie (S2) basse permet dans ce cas d'éviter l'envoi vers le moteur (M) des gaz comprimés pendant la chute en régime du turbo. La vanne pop-off (15) (soupape de décharge placée entre l'entrée et la sortie du compresseur (10)) actuellement utilisée sur véhicule et généralement intégrée dans le carter 25 compresseur (1) pourrait même être remplacée. Autrement dit, les moyens de contrôle peuvent comporter un obturateur ouvrant au maximum la cloison perforée (12), et ainsi favoriser le cheminement de l'air sous pression de la chambre (V) vers la sortie (S2) destinée aux particules (par), au lieu de la sortie (Si) habituelle. Le fait de pouvoir finement moduler la section d'accès 30 au canal périphérique permet de contrôler l'alimentation plus finement qu'avec une soupape "wastegate" de surpression. 2909729 io Un des avantages de l'invention est de prévoir un système de filtration sur les moteurs de série, intégré juste avant l'alimentation du moteur, dans un élément déjà présent dans le compartiment moteur. Le turbocompresseur (10, 20) doit simplement contenir un canal périphérique (13) relié à une sortie 5 spécifique (S2) pour évacuer les particules (par). Ce type de solution est applicable à des moteurs à combustion interne suralimentés à allumage commandé à injection directe ou indirecte, ou encore à allumage par compression. Il doit être évident pour les personnes du métier que la présente to invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de filtration à cyclone pour fournir un flux de gaz de suralimentation, destiné à un moteur (M) à combustion interne, exempt de particules indésirables, comprenant une étape d'admission du flux de gaz dans un carter compresseur (1) d'une turbomachine refoulant un flux de gaz comprimé vers le moteur (M), caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de centrifugation des particules indésirables (par) entraînées dans le flux de gaz admis, par une rotation d'une roue (11) de compresseur (10) dans un volume central (V) du carter lo compresseur (1) ; - une étape de transfert des particules (par) entraînées par la roue (11) du compresseur (10) vers un canal périphérique (13) formé sur au moins une partie de la périphérie du volume central (V) du carter compresseur (1) et communiquant avec ce volume central 1s (V);et - une étape de récupération des particules (par) dans un circuit (14) de récupération d'impuretés connecté au canal périphérique (13).

2. Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape de guidage des particules (par) par le canal périphérique (13) pour acheminer 20 lesdites particules (par) vers une sortie basse (S2) du carter compresseur (1), le flux de gaz délesté desdites particules (par) étant refoulé vers une sortie haute (Si) du carter compresseur (1).

3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le guidage des particules vers la sortie basse (S2) est réalisé suivant une trajectoire 25 circulaire descendante, délimitée extérieurement par une paroi (P2) du carter compresseur (1) et intérieurement par une cloison perforée (12).

4. Procédé selon une des revendications 1 à 3, dans lequel l'étape d'admission du flux de gaz dans le carter compresseur (1) est réalisée selon 2909729 12 une direction dite axiale parallèle à un axe de rotation (A) permettant de faire tourner la roue (11) du compresseur (10), le flux de gaz comprimé (F') et les particules (par) sortant du carter compresseur (1) par des sorties (Si, S2) respectives distinctes qui sont chacune orthogonales à l'axe de rotation (A). 5

5. Procédé selon une des revendications 1 à 4, dans lequel l'étape de récupération des particules (par) comprend une étape de filtration par un filtre (60) à particules, et une étape d'acheminement des gaz circulant dans le circuit de récupération (14) vers le circuit d'échappement du moteur (M), en aval de la turbine (20) du turbocompresseur. io

6. Turbocompresseur pour moteur (M) à combustion interne d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre cyclone intégré dans le carter (1) du compresseur (10) et une sortie (S2), distincte de la sortie (S1) destinée au flux de gaz comprimé (F'), pour acheminer des particules indésirables vers un circuit (14) de récupération d'impuretés. 15

7. Turbocompresseur selon la revendication 6, comprenant une cloison perforée (12) séparant un volume central (V) du carter compresseur (1) d'un canal périphérique (13) intégré dans le carter compresseur (1).

8. Turbocompresseur selon la revendication 6 ou 7, comprenant une sortie basse (S2) du carter compresseur (1) pour acheminer les particules 20 (par) indésirables vers le circuit (14) de récupération d'impuretés et une sortie haute (Si) du carter compresseur (1) pour refouler un flux de gaz délesté desdites particules (par).

9. Turbocompresseur selon une des revendications 6 à 8, comprenant de façon concentrique autour d'une roue (11) du compresseur (10) : 25 une cloison perforée (12) dans le prolongement d'une première paroi (P1) du carter compresseur (1) ; et une deuxième paroi (P2) du carter compresseur (1) délimitant avec la cloison perforée (12) un canal périphérique (13) connecté au circuit (14) de récupération d'impuretés. 2909729 13

10. Turbocompresseur selon la revendication 9, dans lequel le canal périphérique (13) est placé à l'opposé de la première paroi (P1) du carter compresseur (1).

11. Turbocompresseur selon une des revendications 6 à 9, dans lequel 5 lesdites sorties respectives (Si, S2) sont situées dans des cornes de même orientation du carter compresseur (1), chacune de ces cornes étant orthogonales à l'axe de rotation (A) d'une roue (11) du compresseur (10).

12. Turbocompresseur selon une des revendications 6 à 11, comprenant une cloison perforée (12) délimitant avec une paroi (P2) extérieure du carter compresseur (1) un canal périphérique (13) et des moyens associés à la cloison perforée (12) pour contrôler l'accès au canal périphérique (13) au travers de la cloison perforée (12).