FR3009019A1

FR3009019A1 - TURBOCOMPRESSOR DISCHARGE VALVE

Info

Publication number: FR3009019A1
Application number: FR1357250A
Authority: FR
Inventors: Didier Bonte; Francois Bouffaud; Benjamin Didiot
Original assignee: Renault SA
Current assignee: Renault SA
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2015-01-30
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: FR3009019B1

Abstract

Soupape de décharge de turbocompresseur contrôlant l'écoulement de gaz d'échappement entre une première et une deuxième section (3, 4b) de conduit d'écoulement, comportant un siège de soupape fixe (6) maintenu en extrémité de la première section de conduit (3) et un clapet (7) pivotant entre une position de fermeture où il est en appui sur le siège de soupape (6) de manière à obturer le passage de la première à la deuxième section de conduit, et une position d'ouverture où il libère le passage du gaz entre les deux sections de conduit (3, 4b) en s'écartant progressivement du siège, caractérisée en ce qu'elle présente des déflecteurs latéraux (8), limitant la projection de gaz sur les parois latérales de la deuxième section par les bords latéraux du clapet (7), lorsque celui-ci commence à s'écarter du siège de la soupape (6).A turbocharger discharge valve controlling the flow of exhaust gas between first and second flow duct sections (3, 4b), having a fixed valve seat (6) held at the end of the first duct section (3) and a valve (7) pivoting between a closed position where it bears on the valve seat (6) so as to close the passage of the first to the second duct section, and an open position where it releases the passage of gas between the two duct sections (3, 4b) progressively deviating from the seat, characterized in that it has side deflectors (8), limiting the gas projection on the side walls of the second section by the side edges of the valve (7), when it begins to move away from the seat of the valve (6).

Description

- 1 - SOUPAPE DE DECHARGE DE TURBOCOMPRESSEUR La présente invention concerne une soupape de décharge de turbocompresseur.The present invention relates to a turbocharger discharge valve.

Plus précisément, elle a pour objet une soupape de décharge de turbocompresseur contrôlant l'écoulement de gaz d'échappement entre une première et une deuxième section de conduit d'écoulement, comportant un siège de soupape fixe et un clapet pivotant entre deux positions. En position de fermeture, il est en appui sur le siège de soupape de manière à obturer le passage de la première à la deuxième section de conduit. A l'ouverture, il libère le passage du gaz entre les deux sections de conduit, en s'écartant progressivement du siège.More specifically, it relates to a turbocharger discharge valve controlling the flow of exhaust gas between a first and a second flow duct section, having a fixed valve seat and a pivotal flap between two positions. In the closed position, it bears on the valve seat so as to close the passage from the first to the second duct section. At the opening, it releases the passage of gas between the two sections of duct, moving away from the seat.

Cette invention trouve une application privilégiée, mais non exclusive, dans un système de régulation de la pression de suralimentation pour moteur à combustion interne, notamment du type diesel, comportant deux étages de turbocompresseurs. Dans ce type de suralimentation, le petit turbo dit « turbo haute pression » assure principalement la suralimentation du moteur aux faibles régimes. Lorsque le régime moteur augmente, le turbo haute pression est progressivement mis hors circuit par la soupape de décharge, et le gros turbo, dit « turbo basse pression », prend progressivement le relai jusqu'aux régimes les plus élevés du moteur. La puissance prélevée aux gaz d'échappement par la turbine à haute pression, peut aussi être modulée par l'orientation d'ailettes en amont de turbine, si le turbo haute pression est à géométrie variable.This invention finds a preferred, but not exclusive, application in a supercharging pressure regulation system for an internal combustion engine, particularly of the diesel type, comprising two stages of turbochargers. In this type of supercharging, the small turbo called "high pressure turbo" mainly ensures engine overfeeding at low speeds. When the engine speed increases, the high pressure turbo is gradually switched off by the relief valve, and the big turbo, called "low pressure turbo" gradually takes the relay to the highest engine speeds. The power taken from the exhaust gases by the high pressure turbine can also be modulated by the orientation of blades upstream of the turbine, if the high pressure turbo is variable geometry.

L'ouverture d'une soupape de décharge, ou clapet bypass, permet de contrôler le contournement de la turbine du turbo haute pression, qu'il s'agisse d'un turbo à géométrie fixe ou - 2 - à géométrie variable. Aux faibles débits (dans une application ciblée, par exemple jusqu'à environ 1750 tours par minute), la soupape est fermée, et tous les gaz passent par la turbine du turbo haute pression avant d'attaquer la turbine basse 5 pression. Aux régimes intermédiaires (par exemple vers 2700 tours par minute), la soupape est entrouverte, et une partie des gaz passe directement vers la turbine basse pression, sans passer par la turbine haute pression. Au-delà, la soupape est complètement ouverte, et presque tous les gaz passent 10 directement vers le turbo basse pression. Les soupapes de décharge sont généralement des soupapes à clapet pivotant. Dans la publication US 6 976 359, le siège de la soupape est engagé à l'extrémité du conduit. Le clapet est rabattu sur celui-ci lorsqu'il est fermé. Ouvert, il 15 libère pratiquement toute la section du conduit, sans s'opposer à l'écoulement des gaz en direction du deuxième turbocompresseur. Mais aux faibles ouvertures de la soupape, le flux des gaz est gêné dans son écoulement. Les gaz chauds sont alors projetés à forte vitesse sur les parois latérales 20 du conduit aval, créant, tant que la soupape reste entrouverte, un très fort échauffement local susceptible de provoquer des fissures d'origine thermomécanique. La présente invention vise à la fois à protéger les parois latérales, et à mieux diriger le flux des gaz vers la 25 volute de la turbine basse pression. Dans ce but, elle prévoit de placer autour de la soupape deux déflecteurs latéraux, limitant la projection de gaz sur les parois latérales de la section aval du conduit, lorsqu'elle est entrouverte.The opening of a relief valve, or bypass valve, to control the bypass of the turbine of the high-pressure turbo, whether it is a turbo fixed geometry or - 2 - variable geometry. At low flow rates (in a targeted application, for example up to about 1750 rpm), the valve is closed, and all gases pass through the high pressure turbo turbine before driving the low pressure turbine. At intermediate speeds (for example around 2700 revolutions per minute), the valve is ajar, and a part of the gas passes directly to the low pressure turbine, without passing through the high pressure turbine. Beyond this, the valve is fully open, and almost all gases pass directly to the low pressure turbo. Discharge valves are generally pivot valve valves. In US 6,976,359, the seat of the valve is engaged at the end of the conduit. The valve is folded on it when closed. Open, it releases almost the entire section of the duct, without opposing the flow of gas towards the second turbocharger. But at the small openings of the valve, the flow of gases is hindered in its flow. The hot gases are then projected at high speed on the side walls 20 of the downstream duct, creating, as long as the valve remains open, a very high local heating may cause cracks of thermomechanical origin. The present invention aims both to protect the sidewalls, and to better direct the flow of gases to the volute of the low pressure turbine. For this purpose, it provides to place around the valve two lateral baffles, limiting the gas projection on the side walls of the downstream section of the duct, when it is ajar.

30 Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les déflecteurs latéraux sont solidaires de la soupape. - 3 - Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, les déflecteurs sont solidaires du siège de soupape. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non 5 limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1A, 1B et 1C illustrent le fonctionnement de la soupape connue, dans une dérivation de turbocompresseur, 10 - les figures 2A, 2B, 2C montrent la localisation des fissures observées, - les figures 3A et 3B illustrent un premier mode de réalisation de l'invention, les figures 4A et 4B en montrent deux variantes, et 15 la figure 5 montre un deuxième mode de réalisation. Sur les trois premières figures, on a représenté en coupe une turbine de turbocompresseur haute pression 1 avec sa bride d'accrochage 2 au collecteur d'échappement (ou directement au moteur si comme ici le collecteur est intégré), 20 et son conduit de dérivation 3 en direction d'une turbine de turbocompresseur à basse pression 4. Le siège de soupape 6 est placé à l'extrémité de sortie du conduit de dérivation. Il est fixé entre les deux carters de turbo la, 4a. La soupape contrôle l'écoulement de gaz d'échappement entre les deux 25 sections de conduit d'écoulement 3 (conduit de dérivation) et 4b (entrée du turbocompresseur basse pression). Elle comporte un siège de soupape 6 fixe, maintenu en extrémité de la première section de conduit 3, et un clapet 7 pivotant entre une position de fermeture à une extrémité où il est en appui 30 sur le siège de soupape 6, de manière à obturer le passage de la première section de conduit 3 à la deuxième section de conduit 4b, et une position d'ouverture à l'autre - 4 - extrémité, où il libère le passage du gaz entre les deux sections de conduit 3 et 4b, en s'écartant progressivement du siège 6. Sur la figure 1A, le clapet 7 de la soupape est rabattu 5 contre le siège 6. La soupape est fermée, les gaz transitent en totalité par la turbine haute pression 1. Cette position est normalement utilisée aux faibles régimes (par exemple jusqu'à 1750 tours par minute) Sur la figure 1B, le clapet 7 est légèrement décollé du siège. La soupape est entrouverte, 10 (par exemple autour de 2700 tours par minute). Seule une partie des gaz emprunte la dérivation. Enfin, sur la figure 1C, la soupape est grande ouverte. Les gaz évitent le turbo à haute pression 1, pour passer directement au turbo basse pression 4.According to a first embodiment of the invention, the lateral deflectors are integral with the valve. According to a second embodiment of the invention, the baffles are integral with the valve seat. The present invention will be better understood on reading the following description of a non-limiting embodiment thereof, with reference to the appended drawings, in which: FIGS. 1A, 1B and 1C illustrate the operation of the known valve, in a turbocharger bypass, 10 - 2A, 2B, 2C show the location of the cracks observed, - Figures 3A and 3B illustrate a first embodiment of the invention, Figures 4A and 4B show two variants, and Figure 5 shows a second embodiment. In the first three figures, there is shown in section a high pressure turbocharger turbine 1 with its attachment flange 2 to the exhaust manifold (or directly to the engine if, as here, the manifold is integrated), and its bypass duct. 3 to a low pressure turbocharger turbine 4. The valve seat 6 is located at the outlet end of the bypass duct. It is fixed between the two casings of turbo la, 4a. The valve controls the flow of exhaust gas between the two sections of the flow duct 3 (bypass duct) and 4b (inlet of the low pressure turbocharger). It comprises a fixed valve seat 6, held at the end of the first duct section 3, and a valve 7 pivoting between a closed position at one end where it bears on the valve seat 6, so as to close passing from the first duct section 3 to the second duct section 4b, and an open position at the other end, where it releases the passage of gas between the two duct sections 3 and 4b, gradually moving away from the seat 6. In Figure 1A, the valve 7 of the valve is folded against the seat 6. The valve is closed, the gas passes entirely by the high pressure turbine 1. This position is normally used at low speeds (for example up to 1750 revolutions per minute) In Figure 1B, the valve 7 is slightly off the seat. The valve is ajar, for example around 2700 revolutions per minute. Only a part of the gas takes the bypass. Finally, in Figure 1C, the valve is wide open. The gases avoid the high pressure turbo 1, to go directly to the low pressure turbo 4.

15 Les projections latérales de gaz à forte vitesse sur les parois du carter de turbo basse pression 4a sont à l'origine de fissures thermomécaniques 5, mises en évidence sur la figure 2A et sur les figures 2B et 2C, qui sont respectivement des coupes selon A et B de la figure 1B (position 20 entrouverte). On note la présence de l'axe d'actionnement 7a du clapet, visible sur la figure 2C. Sur les figures 3A et 3B, on retrouve un siège de soupape tubulaire 6, pouvant être engagé à l'extrémité du conduit de dérivation 3 de la figure 1. Le clapet pivotant 7 25 est représenté avec son axe d'actionnement 7a. Il est désormais pourvu de déflecteurs latéraux 8, qui limitent la projection de gaz sur les parois latérales de la deuxième section par les bords latéraux du clapet lorsque le clapet 7 commence à s'écarter du siège de la soupape 6. Les gaz chauds 30 en provenance du collecteur d'échappement passent entre le siège de la soupape 6 et le clapet 7. Mais les déflecteurs latéraux 8 protègent les parois latérales du conduit 4b, et - 5 - dirigent l'écoulement dans l'axe du conduit. Ils forcent les gaz à sortir « vers l'avant » pour ensuite plonger dans la volute de la turbine basse pression. Grâce aux déflecteurs, les projections latérales de gaz sur les parois 4a du conduit (carter de turbine aval) sont supprimées, et les fissures provoquées antérieurement par ces projections à haute vitesse, de gaz encore très chaud, sont évitées, car ils font obstacle au passage des gaz par les côtés, quand la soupape s'ouvre. Dans un premier mode de réalisation, les déflecteurs latéraux sont solidaires du clapet (soupape 6). Ils peuvent être réalisés dans la même matière que la soupape. Conformément aux figures 3A et 3B, les déflecteurs 8 viennent se loger à l'extérieur du siège de soupape 6. Sur la variante de la figure 4A, les déflecteurs coulissent au contraire à l'intérieur du siège de soupape. Dans celle de la figure 4B, ils se présentent sous la forme de rebords latéraux recouvrant les extrémités latérales du clapet et l'extrémité du siège de soupape. Dans un deuxième mode de réalisation, de l'invention, les déflecteurs sont solidaires du siège de soupape. Dans l'exemple non limitatif illustré par la figure 5, on réalise simplement un usinage en biais sur le siège de soupape. Les déflecteurs sont constitués par la partie 6a du siège de soupape 6, usinée en biais. En position de fermeture, le clapet vient se poser « dans » le siège, sur la face d'usinage 6a. Les déflecteurs peuvent être constitués par le siège de soupape lui-même, ou par une partie de celui-ci. La présente invention peut s'appliquer à tout dispositif système de soupape dans un environnement thermomécanique 30 sévère. Dans le domaine des turbocompresseurs, elle peut équiper tous les turbos à soupape de décharge du type « waste- - 6 - gate », notamment à géométrie fixe, ainsi que les moteurs utilisant un montage de deux turbocompresseurs, ou davantage.The lateral projections of gas at high speed on the walls of the low-pressure turbo casing 4a are at the origin of thermomechanical cracks 5, highlighted in FIG. 2A and in FIGS. 2B and 2C, which are respectively sections according to FIG. A and B of FIG. 1B (half-open position). Note the presence of the actuating pin 7a of the valve, visible in Figure 2C. In FIGS. 3A and 3B, there is a tubular valve seat 6 that can be engaged at the end of the bypass duct 3 of FIG. 1. The pivoting valve 7 25 is shown with its actuating axis 7a. It is now provided with side deflectors 8, which limit the throwing of gas on the side walls of the second section by the side edges of the valve when the valve 7 begins to deviate from the seat of the valve 6. The hot gases 30 in From the exhaust manifold pass between the seat of the valve 6 and the valve 7. But the side baffles 8 protect the side walls of the duct 4b, and direct the flow in the axis of the duct. They force the gas out "forward" and then plunge into the volute of the low pressure turbine. Thanks to the deflectors, the lateral projections of gas on the walls 4a of the duct (downstream turbine casing) are suppressed, and the cracks provoked previously by these projections at high speed, of gas still very hot, are avoided, because they obstruct the gas passage from the sides, when the valve opens. In a first embodiment, the lateral deflectors are integral with the valve (valve 6). They can be made in the same material as the valve. According to Figures 3A and 3B, the baffles 8 are housed outside the valve seat 6. In the variant of Figure 4A, the baffles slide on the contrary inside the valve seat. In that of Figure 4B, they are in the form of lateral flanges covering the lateral ends of the valve and the end of the valve seat. In a second embodiment of the invention, the baffles are integral with the valve seat. In the nonlimiting example illustrated in FIG. 5, an angled machining is simply performed on the valve seat. The baffles are constituted by the portion 6a of the valve seat 6, machined at an angle. In the closed position, the valve comes to rest "in" the seat, on the machining face 6a. The deflectors may be constituted by the valve seat itself, or by a part thereof. The present invention is applicable to any valve system device in a severe thermomechanical environment. In the field of turbochargers, it can equip all waste-gate-type dump valves, in particular with fixed geometry, as well as engines using a mounting of two or more turbochargers.

Claims

REVENDICATIONS1. A turbocharger discharge valve controlling the flow of exhaust gas between a first and a second flow duct section (3, 4b) having a fixed valve seat (6) held at the end of the first duct section (3) and a valve (7) pivoting between a closed position where it bears on the valve seat so as to close the passage from the first to the second duct section, and an open position where it releases the passage of gas between the two duct sections (3, 4b) progressively away from the seat (6), characterized in that it has lateral deflectors (8), limiting the gas projection on the side walls the second section by the side edges of the valve (7), when it begins to move away from the seat of the valve (6).

2. Relief valve according to claim 1, characterized in that the lateral deflectors (8) are integral with the valve (7).

3. Relief valve according to claim 2, characterized in that the baffles (8) are housed outside the valve seat (6) in the closed position.

4. Relief valve according to claim 2, characterized in that the baffles (8) slide inside the valve seat (6).

5. Relief valve according to claim 2, characterized in that the baffles (8) are in the form of lateral flanges covering the lateral ends of the valve and the end of the valve seat.

6. Relief valve according to claim 1, characterized in that the baffles are constituted by the seat (6) of the valve.

7. Relief valve according to claim 6, characterized in that the baffles are constituted by a portion (6a) of the valve seat (6) machined at an angle.

8. Relief valve according to claim 7, characterized in that the valve is placed on the machining face (6a) of the seat, in the closed position. 10