EP0096624A1 - Dispositif de suralimentation pour moteur à combustion interne - Google Patents

Dispositif de suralimentation pour moteur à combustion interne Download PDF

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EP0096624A1
EP0096624A1 EP83401067A EP83401067A EP0096624A1 EP 0096624 A1 EP0096624 A1 EP 0096624A1 EP 83401067 A EP83401067 A EP 83401067A EP 83401067 A EP83401067 A EP 83401067A EP 0096624 A1 EP0096624 A1 EP 0096624A1
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volute
turbine
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partition
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Marcel Sedille
Maurice Le Creurer
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Automobiles Peugeot SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/146—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by throttling the volute inlet of radial machines or engines

Definitions

  • the invention relates to a device for ensuring the supercharging of an internal combustion engine by means of a single turbo-compressor.
  • This solution has the disadvantage of being expensive and leading to poor average efficiency of the turbine which is not supplied for part of the time, for example. example about half the time with a four-cylinder engine.
  • a "puff converter” or “pulse converter” composed of two nozzles successively supplied by cylinders suitably offset in the order of ignition and followed by a conduit possibly forming a diffuser, connected to the inlet d '' a single turbine. If the section of the nozzles is sufficiently reduced, a satisfactory pressure drop can be obtained in the non-supplied manifold, but this arrangement has the double disadvantage of causing a loss of energy in the nozzles and of being effective only in narrow engine speed limits, making it unsuitable for automotive applications.
  • Patent DE-A-2143696 describes such a puff converter, with adjustable section, comprising a volute whose inlet, extended upstream, is divided into two conduits each provided with an adjustment flap.
  • the section of the turbine itself remains fixed.
  • the flap is arranged in such a way that the gases are projected towards the outside of the volute where it is well known that the speeds are normally lower than in the immediate vicinity of the wheel. There is therefore an explosion of the vein at the outlet of the narrowed sections of the puff converter and a significant loss of efficiency.
  • the invention proposes to provide a more effective solution to the problem set out above and to provide a surali device statement which is satisfactory for all engine operating speeds.
  • a supercharging device for an internal combustion engine comprising a turbo-compressor whose turbine comprises a volute connected to two pipes each connected to the exhausts of a group of cylinders of the engine, the inlet of the volute being divided by a partition in two conduits which extend the two pipes and which are each provided with an adjustment member.
  • said adjustment members are constituted by two extensions of an adjustment flap comprising a concave surface which constitutes a movable wall of the volute.
  • the invention also relates to a supercharged engine equipped with such a device.
  • FIG. 2 There is shown schematically in FIG. 2 an internal combustion engine M comprising four cylinders 1, 2, 3 and 4 and, in part, a turbo-compressor C.
  • the engine exhaust gases are channeled to two pipes 5 and 6 supplied by different cylinders suitably chosen in the order of ignition so that, for each pipe, the cylinders which are connected to them are offset by an angle at least 220 degrees measured on the engine crankshaft.
  • the tube 5 is connected to the cylinders 1 and 4, while the tube 6 is connected to the cylinders 2 and 3.
  • Tubing 5 and 6 are connected to a radial turbine 7, the body 8 of which delimits a volute 8 a in which rotates a wheel 9 which drives a compressor, not shown.
  • the inlet of the scroll 8a is divided, by a canvas 10, into two conduits 11, 12, which constitute extensions of the pipes 5 and 6, respectively.
  • the fabric 10 has a roughly triangular cross section and ends, downstream, by an edge 13 which is located upstream with respect to a section S of the volute 8 2 passing through its theoretical beak 14, so that the volute can be properly filled from the gas jet coming from each of the pipes 5 and 6.
  • a flap 15 received in a lateral housing 8b of the body 8, is hinged to the body about an axis 16. It includes a surface 17, preferably concave, which constitutes a movable wall of the volute making it possible to adjust its inlet section as a function of the conditions by any known means, for example using a rod 15 2 of axis Y or using a lever acting directly on axis 16.
  • the flap 15 has two extensions 18, 19 respectively penetrating inside the conduits 11 and 12. These extensions 18, 19 are separated by a slot 20 leaving the passage for the fabric 10 which extends laterally at 10a in the housing 8 b . They are terminated, each, by a cylindrical surface 21 of circular section centered on the axis 16 and cooperating with a conjugate surface 22 formed in the housing 8b , in order to ensure at least approximate sealing upstream of the shutter. Likewise, at least an approximate seal is ensured downstream of the shutter, by cooperation between two surfaces 23, 24, centered on the axis 16 and formed respectively on the shutter 15 and in the volute 8 a .
  • the kinetic energy of the gas jets at the outlet of the conduits 5 and 6 can be as high as necessary, without this resulting in significant loss, since this energy is directly used in the wheel 9 and the gases are always directed as close as possible to the wheel.
  • the invention applies in the same way if the flap 15 is followed downstream, as is known, by one or more other movable flaps intended to lengthen the area of the volute on which the section is adjusted.

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Abstract

Ce dispositif comprend un turbo-compresseur (C) dont la turbine (7) comporte une volute (8<a>) raccordée à deux tubulures (5, 6) reliées chacune aux échappements d'un groupe de cylindres du moteur. L'entrée de la volute est divisée par une cloison (10) en deux conduits (11, 12) qui prolongent les deux tubulures (5, 6), un volet de réglage (15), qui constitue une paroi mobile de la volute comportant deux prolongements (18, 19) qui s'étendent de part et d'autre de ladite cloison (10) dans les conduits (11, 12). Cet agencement permet d'éviter le phénomène de contre-balayage dans les cylindres et d'améliorer le rendement de la turbine.

Description

  • L'invention se rapporte à un dispositif permettant d'assurer la suralimentation d'un moteur à combustion interne au moyen d'un turbo-compresseur unique.
  • Dans les moteurs à combustion interne à quatre cylindres suralimentés par un turbo-compresseur unique à roue radiale, raccordé sur un collecteur unique d'échappement, il est bien connu qu'il existe une difficulté de vidange des fonds de cylindres, en particulier aux vitesses élevées.
  • Ce phénomène peut s'expliquer de la manière suivante : lorsque le piston d'un cylindre est au voisinage de son point mort haut et que commence la phase d'admission, le cylindre suivant dans l'ordre d'allumage est déjà en cours de vidange, du fait de l'avance habituelle de l'ouverture de sa soupape d'échappement et la bouffée d'échappement provoque une remontée de pression dans l'ensemble du collecteur des gaz. Cette pointe de pression qui se fait sentir alors que la soupape d'échappement du cylindre considéré est encore ouverte, provoque un contre-balayage qui est dommageable à son remplissage et qui accentue les contraintes thermiques, limitant ainsi une utilisation plus intensive du moteur.
  • On connaît déjà plusieurs solutions qui permettent de remédier à cet inconvénient.
  • On peut, par exemple, utiliser deux turbo-compresseurs séparés, dans chacun desquels débite un groupe de cylindres suffisamment espacés les uns des autres dans l'ordre d'allumage. Cette solution a l'inconvénient d'être chère et de conduire à un mauvais rendement moyen de la turbine qui n'est pas alimentée pendant une partie du temps, par. exemple à peu près la moitié du temps avec un moteur à quatre cylindres.
  • On peut aussi utiliser une turbine unique à double volute, chaque volute étant alimentée comme dans le cas précédent. Cette solution ne donne pas pleinement satisfaction car elle ne permet pas une baisse suffisante de pression dans la volute non alimentée lors de la pointe de pression dans la volute alimentée. D'autre part, l'encombrement d'une turbine à deux volutes est plus important que l'encombrement d'une turbine à volute unique.
  • On a également utilisé un "convertisseur de bouffées" ou "pulse converter", composé de deux tuyères alimentées successivement par des cylindres convenablement décalés dans l'ordre d'allumage et suivies d'un conduit formant éventuellement diffuseur, raccordé sur l'entrée d'une turbine unique. Si la section des tuyères est suffisamment réduite, on peut obtenir dans le collecteur non alimenté une baisse de pression satisfaisante, mais cet-agencement présente le double inconvénient de provoquer une perte d'énergie dans les tuyères et de n'être efficace que dans des limites étroites de régime du moteur, ce qui fait qu'il est inadapté aux applications automobiles.
  • Le brevet DE-A-2143696 décrit un tel convertisseur de bouffées, à section réglable, comportant une volute dont l'entrée, prolongée vers l'amont, est divisée en deux conduits munis chacun d'un volet de réglage. La section de la turbine proprement dite demeure cependant fixe. De plus , dans cet agencement antérieur, le volet est disposé de telle façon que les gaz sont projetés vers l'extérieur de la volute où il est bien connu que les vitesses sont normalement plus faibles qu'au voisinage immédiat de la roue. Il se produit donc une explosion de la veine à la sortie des sections rétrécies du convertisseur de bouffées et une perte de rendement importante. L'invention se propose d'apporter une solution plus efficace au problème exposé ci-dessus et de fournir un dispositif de suralimentation qui soit satisfaisant pour tous les régimes de fonctionnement du moteur.
  • Elle s'applique à un dispositif de suralimentation pour moteur à combustion interne comprenant un turbo-compresseur dont la turbine comporte une volute raccordée à deux tubulures reliées chacune aux échappements d'un groupe de cylindres du moteur, l'entrée de la volute étant divisée par une cloison en deux conduits qui prolongent les deux tubulures et qui sont munis chacun d'un organe de réglage. Ce dispositif est caractérisé en ce que lesdits organes de réglage sont constitués par deux prolongements d'un volet de réglage comportant une surface concave qui constitue une paroi mobile de la volute.
  • Suivant d'autres caractéristiques :
    • - la cloison est formée par une toile de section transversale triangulaire dont la pointe est dirigée vers l'aval de la volute ;
    • - le volet articulé sur le corps de la turbine autour d'un axe comporte au moins une surface cylindrique de section circulaire centrée sur cet axe, coopérant avec une surface conjuguée ménagée dans le corps de la turbine.
    • - il est prévu deux jeux de surfaces conjuguées respectivement amont et aval.
  • L'invention a également pour objet un moteur suralimenté équipé d'un tel dispositif.
  • Un exemple de réalisation fait l'objet de la description qui suit, en référence aux dessins joints dans lesquels :
    • - la Fig. 1 est une coupe suivant un plan perpendiculaire à son axe de rotation, d'une turbine agencée selon l'invention ;
    • - la Fig. 2 est un schéma de raccordement sur un moteur , avec coupe partielle selon la ligne 2-2 de la Fig. 1,
    • - la Fig. 3 est une coupe selon la ligne 3-3 de la figure 1.
  • On a représenté schématiquement sur la Fig. 2 un moteur M à combustion interne comportant quatre cylindres 1, 2, 3 et 4 et, en partie, un turbo-compresseur C.
  • Les gaz d'échappement du moteur sont canalisés vers deux tubulures 5 et 6 alimentées par des cylindres différents convenablement choisis dans l'ordre d'allumage de manière que, pour chaque tubulure, les cylindres qui s'y raccordent soient décalés d'un angle d'au moins 220 degrés mesurés sur le vilebrequin du moteur. Dans le cas représenté d'un moteur à quatre cylindres dont l'ordre d'allumage est 1, 3, 4, 2, la tubulure 5 est raccordée sur les cylindres 1 et 4, tandis que la tubulure 6 est raccordée sur les cylindres 2 et 3.
  • Les tubulures 5 et 6 sont reliées à une turbine radiale7 dont le corps 8 délimite une volute 8a dans laquelle tourne une roue 9 qui entraîne un compresseur non représenté.
  • L'entrée de la volute 8a est divisée, par une toile 10, en deux conduits 11, 12, qui constituent des prolongements des tubulures 5 et 6, respectivement. La toile 10 a une section transversale à peu près triangulaire et se termine, vers l'aval, par une arête 13 qui se situe en amont par rapport à une section S de la volute 82 passant par son bec théorique 14, de manière que la volute puisse être remplie convenablement à partir du jet de gaz provenant de chacune des tubulures 5 et 6.
  • Un volet 15 reçu dans un logement latéral 8b du corps 8, est articulé sur ce corps autour d'un axe 16. il comporte une surface 17, de préférence concave, qui constitue une paroi mobile de la volute permettant de régler sa section d'entrée en fonction des conditions par tout moyen connu, par exemple à l'aide d'une tige 152 d'axe Y ou à l'aide d'un levier agissant directement sur l'axe 16.
  • Le volet 15 comporte deux prolongements 18, 19 pénétrant respectivement à l'intérieur des conduits 11 et 12. Ces prolongements 18, 19 sont séparés par une fente 20 laissant le passage pour la toile 10 qui se prolonge latéralement en 10a dans le logement 8b. Ils sont terminés, chacun, par une surface cylindrique 21 de section circulaire centrée sur l'axe 16 et coopérant avec une surface conjuguée 22 formée dans le logement 8b, afin d'assurer une étanchéité au moins approximative vers l'amont du volet. De même, une étanchéité au moins approximative est assurée vers l'aval du volet, par coopération entre deux surfaces 23, 24, centrées sur l'axe 16 et formées respectivement sur le volet 15 et dans la volute 8a.
  • Grâce à l'agencement qui vient d'être décrit, on peut à l'aide d'une seule pièce actionnée par un seul mécanisme, régler à la fois la section d'entrée de la volute 8a, et les sections d'arrivée des gaz dans les tubulures 5 et 6, à leur débouché dans la volute.
  • De cette façon, les sections terminales des tubulures5 et 6 et la section d'entrée de la volute 8a sont constamment adaptés au débit des gaz d'échappement. On peut ainsi, pour tous les régimes du moteur, obtenir d'une part, une baisse de pression suffisamment réduite dans celle 5 ou 6 des tubulures qui n'est pas alimentée en gaz d'échappement, ce qui évite l'inconvénient du contre-balayage dans les cylindres, et, d'autre part, un bon rendement de la turbine quel que soit le débit des gaz ce qui permet, notamment d'améliorer la suralimentation à bas régime. Il s'ensuit qu'il devient inutile de prévoir une soupape de by pass, tandis qu'une telle soupape est indispensable, habituellement, pour évacuer les gaz en excès lorsque la vitesse du moteur devient importante. Avec l'agencement de l'invention, tous les gaz travaillant dans la turbine, il en résulte un meilleur rendement général.
  • Par ailleurs, l'énergie cinétique des jets de gaz au débouché des conduits 5 et 6 peut être aussi élevée que nécessaire, sans qu'il en résulte de perte sensible, puisque cette énergie est directement utilisée dans la roue 9 et que les gaz sont toujours dirigés au plus près de la roue.
  • Il va de soi que l'invention s'applique de la même façon si le volet 15 est suivi vers l'aval, ainsi qu'il est connu, par un ou plusieurs autres volets mobiles destinés à allonger la zone de la volute sur laquelle se fait le réglage de la section.

Claims (6)

1 - Dispositif de suralimentation pour moteur à combustion interne (M), comprenant un turbo-compresseur (C) dont la turbine comporte une volute (8a) raccordée à deux tubulures (5,6) reliées chacune aux échappements d'un groupe de cylindre du moteur, l'entrée de la volute étant divisée, par une cloison (10), en deux conduits (11,12) qui prolongent les deux tubulures et qui sont munis chacun d'un organe de réglage (18,19),caractérisé en ce que lesdits organes de réglage (18,19) sont constitués par deux prolongements d'un volet de réglage (15) comportant une surface concave (17) qui constitue une paroi mobile de la volute (8a).
2 - Dispositif de suralimentation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison (10) est formée par une toile de section transversale triangulaire dont la pointe (13) est dirigée vers l'aval de la volute (8a).
3 - Dispositif de suralimentation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison (10) comporte un prolongement latéral (10a) qui s'étend dans un logement (8b) recevant le volet (15) en position escamotée.
4 - Dispositif de suralimentation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, comme connu en soi, le volet (15) est articulé sur le corps de la turbine autour d'un axe (16) et il comporte au moins une surface cylindrique (21,23) de section circulaire centrée sur cet axe (16), coopérant avec une surface conjuguée (22,24) ménagée dans le corps de la turbine.
5 - Dispositif de suralimentation suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est prévu deux jeux de surfaces conjuguées, respectivement amont (21,22) et aval (23,24).
6 - Moteur à combustion interne à suralimentation par turbo-compresseur, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5.
EP83401067A 1982-06-03 1983-05-26 Dispositif de suralimentation pour moteur à combustion interne Expired EP0096624B1 (fr)

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US (1) US4519211A (fr)
EP (1) EP0096624B1 (fr)
JP (1) JPS59535A (fr)
AT (1) ATE14911T1 (fr)
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