Moteur à combustion interne alimenté par un compresseur entraîné par une turbine à gaz d'échappement centripète L'invention a pour objet un moteur à combustion interne alimenté par un compresseur entraîné par une turbine à gaz d'échappement centripète, carac térisé par des aubes de guidage réglables disposées à l'entrée du compresseur pour régler la composante de tourbillon de l'air s'approchant des aubes mobiles du compresseur.
L'invention permet d'augmenter la gamme des vitesses pour lesquelles le moteur fonctionne de manière satisfaisante, et notamment permet d7amélio- rer les caractéristiques d'accélération.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du moteur faisant l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe axiale à travers le turbo compresseur de ce moteur destiné en particulier à la propulsion d'automobiles.
La fig. 2 est une vue composée dont la partie de droite est une coupe .radiale par la ligne 2-2 de la fig. 1, tandis que la partie de gauche est une vue en bout depuis l'extrémité gauche de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en élévation de l'extrémité droite de la fig. 1 avec une coupe par la ligne 3-3 de celle-ci.
La fig. 4 est une vue en élévation du côté d'entrée de la roue à aubes du compresseur repré sentée à la fig. 1.
La fig. 5 est une vue partielle montrant un déve loppement d'une projection de la roue sur un cylin dre coaxial à celle-ci.
La fig. 6 est une vue schématique illustrant les éléments de commande de cette forme d'exécution du moteur.
Le turbocompresseur représenté aux fig. 1 à 3 comprend une partie rigide formée par deux mou- lages en aluminium, l'un désigné en 2 comportant une enveloppe 4 du palier de gauche et l'autre étant désigné en 6 et ayant, venue de fabrication avec elle, une enveloppe 8 du palier de droite. La partie 6 a la forme générale d'un croisillon fixé à la partie 2 par des boulons 10. Un cylindre métallique 12 com porte une bride annulaire 16 serrée entre les parties 2 et 6 et supporte un organe annulaire métallique 14 qui est maintenu en position par des vis 18.
Le cylindre 12 est serré sur une matière de remplissage 20 en céramique dans laquelle est retenu (par une cheville non représentée) un bouchon de remplissage en céramique 22, ces deux éléments en une matière réfractaire étant séparés simplement pour faciliter l'assemblage. La céramique 20 fournit un espace de tourbillon 24 sans aube, pour l'amenée de gaz d'en traînement provenant du moteur E à l'aubage de turbine, cet espace comportant, comme indiqué en particulier à la fig. 3, des tuyères 26 pour diriger les gaz d'entraînement dans l'espace 24 à une vitesse élevée dans une direction tangentielle.
Le cylindre 12 est muni d'ouvertures 28 alignées sur les entrées des tuyères 26, le collecteur d'échappement 30 du moteur étant fixé au cylindre.
La matière de remplissage 20 et l'organe 14 for ment entre eux un diffuseur annulaire 32 sans aube pour les gaz échappés de la turbine. Le diffuseur four nit aux gaz une composante d'écoulement dirigée radialement vers l'extérieur et refoule ces gaz à tra vers un conduit 34 qui peut les amener à un point d'échappement désiré.
Un organe de remplissage 36 sert en partie à délimiter les passages d'air et est fixé dans la pièce moulée 2. Cet organe de remplissage 36 est en une matière plastique résistant à la chaleur. La matière plastique peut être utilisée ici pour des raisons de légèreté et grâce au fait que les températures de l'air ne dépassent pas 1900, une très bonne isolation étant réalisée entre la turbine et le compresseur par les matières céramiques 20 et 22.
L'organe de remplis sage 36 conjointement avec les surfaces adjacentes en céramique fournit un diffuseur 38 sans aube s'étendant radialement, à partir duquel l'air comprimé est déchargé dans une spirale 39 d'où il est amené à travers une conduite 40 au collecteur d'entrée du moteur E. Ce diffuseur présente un rapport du dia mètre de sortie (à son point de refoulement dans la spirale 39) au diamètre d'entrée (au point de refou lement de l'air à la périphérie de la roue du com presseur) égal à au moins 2.
Le passage d'écoulement tourbillonnaire 42 est prévu entre la pièce 2 et l'organe de remplissage 36, ce passage étant destiné à l'air s'approchant de la roue du compresseur, et l'écoulement se faisant radia- lement vers l'intérieur à partir d'une entrée annulaire 44 ouverte à l'atmosphère ou à un filtre d'air et étant dévié axialement pour pénétrer dans l'aubage du compresseur. Des aubes 46 sont situées dans le pas sage 42 et sont réglables angulairement pour impartir un tourbillon à l'air entrant.
Ces aubes sont portées par des arbres individuels 48 tourillonnés dans la pièce 2, chaque arbre portant à son extrémité exté rieure un pignon 50 sur lequel passe une chaîne 52 destinée à l'entraînement simultané de tous les arbres. L'un de ces pignons est muni d'un bras 54 auquel sont fixées des liaisons de commande comme décrit ci-après.
Le rotor de turbine 56 porte des aubes 57 qui seront décrites en détail plus loin. Ce rotor est venu de fabrication avec un arbre 58 muni d'un prolon gement 60 à son extrémité gauche qui porte un moyeu 62 de la roue de compresseur. L'aubage du compresseur comprend des aubes dont chacune est formée de deux sections 66 et 68.
Des prolongements d'arbres 70 et 72 sont mon tés dans des alésages 74, respectivement 76, légère ment coniques de l'arbre du rotor. Chacun des alé sages s'évase vers l'extérieur à partir de son extré mité intérieure cylindrique dans le but qui sera expli qué par la suite. Les conicités ont été exagérées à la fig. 1 pour la clarté du dessin.
Le prolongement gau che de l'arbre est monté dans un palier à billes 78, l'arbre lui-même fournissant le chemin de roulement intérieur pour les billes du palier. Le chemin de roule ment extérieur est monté élastiquement au moyen d'un élément 80 de ressort à lame, de forme poly gonale destiné à fléchir sous l'effet d'efforts radiaux. Le montage du palier à billes est rendu étanche au moyen d'un joint 84 et d'un organe séparateur 82.
Du lubrifiant est enfermé en 86 dans un chapeau 88 qui forme avec un organe 90 un espace annulaire dans lequel le chemin de roulement extérieur du rou lement à billes est placé. Un joint d'étanchéité à l'air du type à labyrinthe est formé en 92 sur la partie gauche de l'arbre 58. Des ouvertures 94 servant à l'amenée d'air dans la région située à droite du rou lement à billes sont ménagées en 94. Le palier à billes est maintenu dans l'enveloppe 4 au moyen d'un anneau élastique à déclenchement 96.
L'extrémité de l'arbre de la turbine est munie d'un ensemble semblable à celui qui vient d'être décrit, cet ensemble comportant un palier à rouleaux désigné d'une façon générale en 98, dont le chemin de roulement intérieur est formé par le prolongement de l'arbre 72, tandis que le chemin de roulement extérieur est monté élastiquement au moyen d'un ressort 100 semblable à celui décrit précédemment. Un joint 104 sert à fermer le palier et du lubrifiant est enfermé en 106 dans un chapeau 108, un organe d'espacement 102 étant prévu entre le roulement et le lubrifiant. Le chapeau 108 avec l'organe 110 sert à fournir l'espace annulaire pour le palier. L'assem blage est retenu dans l'enveloppe 8 au moyen d'un anneau élastique 112.
Un labyrinthe à air est agencé en 114.
L'air entrant présente un degré important de tour billon qui lui est imparti et dont il résulte des dévia tions de l'angle d'écoulement par rapport à la roue de compresseur à partir des angles d'entrée des aubes de compresseur, déviations qui dépassent beaucoup les variations autorisées en utilisant la construction habituelle d'aube. La force de tourbillon d'entrée, notamment le produit de la composante périphérique de la vitesse absolue de l'air entrant à n'importe quel rayon par la vitesse périphérique du bord d'entrée de la roue de compresseur au même rayon, peut varier d'une valeur négative à une valeur positive qui, dans quelques cas, peut dépasser la valeur de la force tourbillonnaire à la sortie de la roue de com presseur.
L'écoulement tourbillonnaire apparaît dans le passage 42 sous l'effet des aubes de guidage, de sorte que la force du tourbillon à n'importe quel rayon du bord d'entrée de l'aubage du compresseur est constante.
Pour fournir un écoulement doux malgré les variations indiquées ci-dessus, on a recours à une déviation de l'écoulement au moyen d'une agitation de couche limite de manière à provoquer un écou lement doux entre les aubes de la roue du compres seur sur tout le passage d'air depuis l'entrée jusqu'à la sortie du compresseur. Pour effectuer cette agita tion de couche limite, il est nécessaire d'avoir à dis position une pression positive ou négative pour four nir une déviation d'écoulement.
L'écoulement d'entrée établi à l'entrée de la roue de compresseur est un écoulement tourbillonnaire libre grâce à la présence d'aubes de guidage 46 pro duisant un effet centrifuge et par la distance radiale considérable du passage 42, cet écoulement étant caractérisé par une valeur constante du produit de la composante périphérique de la vitesse absolue par le rayon à partir de l'axe de rotation. En même temps, il se produit un écoulement très incurvé au voisinage de l'entrée de la roue dans la direction méridienne, comportant une composante méridienne importante de la vitesse d'écoulement à la sortie de l'ouverture d'entrée et une composante méridienne relativement petite de la vitesse d'écoulement au voi sinage du moyeu de la roue.
En utilisant des aubes hélicoïdales ayant tous les éléments radiaux, le problème de distribution d'angle d'entrée est résolu en prolongeant les parties du bord d'entrée des aubes comme représenté en 67 de sorte que les bords d'entrée s'étendent sur un cône autour de l'axe de rotation plutôt que dans un plan radial. Des coupes axiales du passage d'écoulement d'appro che sont incurvées de sorte que les rayons de cour bure des parois extérieure et intérieure de ces sec tions ont leurs centres situés sur un tel cône. Les bords d'entrée de l'aube sont alors orthogonaux par rapport aux parois du passage d'approche fournissant ainsi un rendement élevé.
La roue à aubes du compresseur présente en fait des aubes épaisses fonctionnant comme si elles étaient formées et arrondies à leurs bords d'entrée et de sortie pour fournir un profil aérodynamique lisse, c'est-à-dire fonctionnant comme si elles présentaient une extrémité d'entrée arrondie comme indiqué en pointillé par la ligne 116 et un bord de sortie arrondi comme indiqué par la ligne pointillée 115.
En fait cette aube épaisse est en forme de coquille qui comporte deux parois 66 et 68 (fig. 5) formant entre elles des ouvertures en 117 et 118 (fig. 4 et 5). L'ouverture 117 est prévue de telle manière que les parois d'aubes respectives 66 et 68 d'une seule aube se terminent à leurs bords d'entrée 67 et 69 de façon que ces bords à n'importe quel rayon se terminent sur une surface qui est approxi mativement normale au passage d'écoulement d'air à l'entrée.
Il en résulte de façon évidente que le bord d'entrée 69 de la partie menante 68 de l'aube s'étend axialement au-delà du bord d'entrée 67 de la paroi d'aube 66 dans le sens d'écoulement de l'air. On remarquera que le bord d'entrée 67 dont il a déjà été question s'étend dans un cône autour de l'axe de rotation et est orthogonal à l'écoulement tandis que le bord d'entrée 69 de la paroi d'aube 68 est radial (ou au moins approximativement radial) étant également orthogonal à l'écoulement qui l'atteint.
Une condition semblable se retrouve à l'ouverture de sortie 118 de sorte que le bord de sortie de la paroi d'aube 66 se termine près du bord de sortie de la paroi d'aube 68 dans le sens d'écoulement de l'air, la fin de la partie mentionnée en premier lieu étant par conséquent située à un rayon plus petit que le rayon de la dernière partie à partir de l'axe de rota tion. Il en résulte que chaque aube de la roue com porte un passage entre ces parois 66 et 68 qui pré sente une entrée en 117 et une sortie en 118. L'écou lement d'air par rapport à la roue entre les parois d'aubes 66 et 68 d'une même aube a une forme de S, tandis que celui entre des aubes adjacentes ne présente qu'une seule courbure.
Dans cette construction, du fait de l'action cen trifuge, une chute de pression apparaît en 119 pro- duisant un écoulement forcé à travers l'ouverture 117 et entre les sections d'aubes avec décharge en 118. La courbure forcée de l'écoulement en 117 qui en résulte entraîne si cela est nécessaire une courbure d'écoulement entre les aubes de sorte qu'une couche limite agitée est produite le long du côté concave de la section d'aube 66. C'est sur ce côté de cette sec tion d'aube que se produit une séparation d'écoule ment à partir de l'aube pendant des conditions oppo sées d'angle d'écoulement.
On va maintenant décrire une commande du moteur à combustion interne à turbocompresseur représenté à la fig. 6 et utilisé dans un véhicule. Ce moteur E est du type à allumage par bougies. Le turbocompresseur partiellement représenté à la fig. 6 est identique à celui décrit précédemment. Le bras 54 commandant les aubes 46 est relié par une tige 130 et un levier coudé 132 à un bouton d7accé- lérateur 134 qui peut être enfoncé par le pied du conducteur du véhicule.
Lorsque le bouton d'accélé rateur n'est pas enfoncé, les aubes 46 se trouvent dans la position fermée, c'est-à-dire de manière à donner une composante périphérique maximum de l'écoulement à l'air entrant, produisant ainsi une com posante d'entraînement de l'écoulement pour la roue de compresseur qui, dans ces conditions, agit comme une turbine pour aider à maintenir une vitesse acceptable du rotor turbine-compresseur.
Le moteur est ensuite dans la condition de marche à vide, son réglage étant tel qu'il continue à tourner mais dans des conditions fournissant une pression subatmosphé- rique dans le collecteur d'admission et par consé quent à la sortie du compresseur représentée par le passage 40. Entre le passage 40 et le collecteur d'admission du moteur E, indiqué en 140, se trouve un venturi 136 fournissant, comme partie d'un car burateur, l'aspiration de combustible à partir de la chambre de carburateur désignée en 138, cette cham bre recevant du combustible à partir de la conduite 139 de la pompe de combustible.
Le collecteur d'échappement du moteur E représenté en 142 et 144 désigne un cylindre. Des moyens d'allumage par bougies ne sont pas représentés. Un dispositif 146 comportant un diaphragme 148 séparant des chambres supérieure et inférieure est prévu pour améliorer la commande, la chambre supérieure étant reliée par une conduite 150 à l'étranglement du ven- turi, la chambre inférieure par un conduit 152 au passage 40. La tige coulissante 154 reliée au dia phragme 148 commande un levier 156 qui intercale une came d'arrêt 158 dans le trajet du déplacement vers le haut de l'extrémité extérieure du bras 54.
Dans des conditions de marche à vide qui vien nent d'être décrites, la came d'arrêt 158 a son action principale de limitation sur le déplacement du bras 54 empêchant mécaniquement une ouverture par tielle des aubes 46.
Si maintenant on désire augmenter la puissance de sortie du moteur, le conducteur presse sur le bou ton 134 ouvrant davantage les aubes 46,1e déplace- ment étant limité par la came d'arrêt<B>158.</B> Ce dépla cement des aubes diminue la composante de tour billon de l'écoulement s'approchant de la roue du compresseur en augmentant le rapport de pression et l'écoulement d'air au collecteur d'admission. Le dis positif de fourniture de combustible débite davantage de combustible au moteur augmentant sa puissance de sortie. Ceci augmente l'énergie contenue dans les gaz d'échappement ainsi que la quantité de ces gaz de sorte que la puissance d'entrée de la turbine est augmentée.
Avec cet accroissement d'écoulement d'air, la came d'arrêt 158 est basculée dans un sens pour permettre l'ouverture ultérieure des aubes 46. Cette action est progressive mais peut avoir lieu en un temps très court de sorte que si on le désire, le moteur peut être amené sans retard appréciable à pleine puissance de sortie et à la vitesse maximum, ce qui permet d'obtenir l'entraînement optimum de la turbine et le développement du rapport de pression maximum, ainsi que l'écoulement d'air fourni en conséquence par le compresseur.
La composante de tourbillon de l'air entrant étant réduite à zéro ou même inversée s'oppose à la rotation de la roue du compresseur. Le but de la came d'arrêt 158 est sim plement d'empêcher le compresseur de fournir plus d'air que le moteur ne peut en aspirer pendant la phase initiale de son accélération. Lorsque la puis- sance de sortie doit être réduite, le bouton d'accélé rateur est relâché ce qui produit la suite inverse des opérations du dispositif. On notera ici que la came 158 ne sert qu'à des moteurs fonctionnant sur une large gamme de vitesses.
A de faibles vitesses de moteur, celui-ci ne peut aspirer qu'une petite quan tité d'air et si les aubes de guidage étaient subite ment ouvertes, de violentes pulsations apparaî traient dans le compresseur, absorbant une puis sance telle que la turbine ralentirait. L'arrêt limite l'ouverture de l'aube de guidage au point où le com presseur peut débiter l'écoulement maximum sans pulsation et sans consommation excessive d'énergie.
En général, il est désirable de commander la vitesse et la puissance de sortie de moteurs à allu mage par bougies en commandant l'écoulement d'air au moyen des aubes de guidage d'entrée du compresseur et en commandant indirectement la quantité de combustible par un dispositif connu (tel qu'un carburateur) qui mesure la quantité d'air fournie au moteur et règle automatiquement les pro portions de combustible à celui-ci, de telle sorte que le rapport air-combustible soit correct et constant.
Dans des moteurs Diesel qui fonctionnent toujours avec un excédent d'air appréciable et où il n'est pas nécessaire de maintenir le rapport air-combustible constant, l'écoulement de combustible peut être com mandé directement et toute commande utilisée dans ce but peut également servir à actionner les aubes de guidage d'entrée du compresseur aussi longtemps que la commande d'écoulement de combustible et de la position des aubes de guidage est effectué de telle manière que le turbocompresseur fonctionne à une vitesse suffisamment élevée comme il a été décrit.