FR2614649A1 - SCREW COMPRESSOR WITH MECHANICAL CONTROL SCREW - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN COMPRESSEUR DE SURALIMENTATION A VIS A COMMANDE MECANIQUE COMPORTANT UNE UNITE DE SURALIMENTATION A VIS 1 ET UNE TRANSMISSION A VITESSE VARIABLE 3 ENTRE UN MOTEUR 2 ET L'UNITE DE SURALIMENTATION A VIS 1. LE PROBLEME A RESOUDRE CONSISTE A ASSURER UNE SURALIMENTATION OPTIMALE QUELLE QUE SOIT LA CHARGE DU MOTEUR. LE COMPRESSEUR EST CARACTERISE EN CE QU'UNE UNITE DE COMMANDE 5 COMMANDE LES ORGANES DE CHANGEMENT DE VITESSE 8 DE LA TRANSMISSION 3 EN FONCTION DE LA CHARGE DU MOTEUR POUR QUE LA SURALIMENTATION SOIT OPTIMALE. L'INVENTION EST APPLICABLE A LA SURALIMENTATION DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE TELS QUE MOTEURS D'AUTOMOBILES, MOTEURS MARINS ET MOTEURS INDUSTRIELS.THE INVENTION CONCERNS A MECHANICALLY-CONTROLLED SCREW BOOSTER COMPRESSOR COMPRISING A SCREW SUPERCHARGER UNIT 1 AND A VARIABLE SPEED TRANSMISSION 3 BETWEEN AN ENGINE 2 AND THE SCREW BOOSTER UNIT 1. THE PROBLEM TO BE SOLVED CONSISTS OF ENSURING A OPTIMAL SUPERCHARGING WHATEVER THE ENGINE LOAD IS. THE COMPRESSOR IS CHARACTERIZED IN THAT A CONTROL UNIT 5 CONTROLS THE GEAR SHIFTERS 8 OF TRANSMISSION 3 ACCORDING TO THE ENGINE LOAD SO THAT THE SUPERCHARGING IS OPTIMAL. THE INVENTION IS APPLICABLE TO THE SUPPLYING OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES SUCH AS AUTOMOTIVE ENGINES, MARINE ENGINES AND INDUSTRIAL ENGINES.
Description
"Compresseur de suralimentation à vis à"Screw-type supercharger
commande mécanique".mechanical control ".
La présente invention a pour objet un D compresseur de suralimentation et, notamment, un compresseur de suralimentation à vis à commande mécanique pour suralimenter des moteurs à combustion interne tels que des moteurs d'automobiles, des moteurs marins et des The present invention relates to a supercharging compressor and, in particular, a mechanically-controlled screw supercharger for supercharging internal combustion engines such as automobile engines, marine engines and engines.
moteurs industriels.industrial engines.
Le document de brevet japonais provisoire n i0 51-37316 décrit un compresseur de suralimentation 13 à vis et à commande mécanique représenté sur les figures 3 Japanese Provisional Patent Publication No. 51-37316 discloses a mechanically-controlled screw-type supercharger 13 shown in FIGS.
et 4 ci-annexées.and 4 attached hereto.
Ce compresseur de suralimentation 13 à vis commande mécanique (désigné simplement dans la suite par "compresseur de suralimentation à vis") comporte un couple de rotors à vis femelle et mâle 14 et 15 qui sc-t entraînés en rotation, au moyen d'une poulie d'entraînement 16, de courroies 17 et d'une poulie menée 18, à partir d'un vilebrequin 12, pour aspirer de l'air à travers un filtre d'aspiration 19 et suralimenter un moteur à combustion interne 11 (désigné simplement dans la suite par "moteur"). Le compresseur de suralimentation à vis 13 utilisant les rotors à vis 14 et 15 est du type volumétrique, la vitesse de rotation des rotors à vis 14 et 15 étant proportionnelle à la vitesse de rotation du vilebrequin 12 du moteur 11. Par conséquent, le compresseur de suralimentation à vis 13 a pour avantage que le moteur peut être suralimenté au démarrage et pendant l'accélération sans aucun décalage dans le temps, ce qui est impossible lorsqu'on utilise un compresseur de suralimentation entrainé par une turbine à gaz This supercharger compressor 13 with mechanical screw (hereinafter simply referred to as a "screw supercharger") comprises a pair of female and male screw rotors 14 and 15 which are rotatably driven by means of a driving pulley 16, belts 17 and a driven pulley 18, from a crankshaft 12, for sucking air through a suction filter 19 and supercharging an internal combustion engine 11 (simply designated in the following by "engine"). The screw supercharger 13 using the screw rotors 14 and 15 is of the volumetric type, the speed of rotation of the screw rotors 14 and 15 being proportional to the rotational speed of the crankshaft 12 of the engine 11. Therefore, the compressor 13 has the advantage that the engine can be supercharged at startup and during acceleration without any lag in time, which is impossible when using a supercharger driven by a gas turbine
d'échappement (turbocompresseur de suralimentation). exhaust (turbocharger).
Théoriquement, le compresseur de suralimentation à vis 13 refoule de l'air à un débit de sortie proportionnel à la vitesse de rotation des rotors à vis 14 et 15, parce que le compresseur de Theoretically, the screw supercharger 13 delivers air at an output rate proportional to the rotational speed of the screw rotors 14 and 15, because the compressor of
suralimentation à vis 13 est du type volumétrique. screw supercharger 13 is of the volumetric type.
Cependant, un compresseur de suralimentation à vis de ce type, pose, comme en principe tout compresseur à vis, un problème en ce que de l'air fuit à travers l'intervalle entre les dents des rotors à vis, ce qui réduit le rendement volumétrique nv, notamment dans la gamme des faibles vitesses de rotation, comme représenté sur la figure 5. En conséquence, quand le compresseur de suralimentation à vis 13 est entrainé par un moteur, la pression de suralimentation de ce compresseur de suralimentation à vis 13 s'abaisse et il est donc incapable de fournir suffisamment d'air lorsque le moteur However, a screw supercharger of this type poses, as in principle any screw compressor, a problem in that air leaks through the gap between the teeth of the screw rotors, which reduces the efficiency. nv volumetric, especially in the range of low rotational speeds, as shown in Figure 5. Accordingly, when the screw supercharger 13 is driven by a motor, the supercharging pressure of the screw supercharger 13 s lowers and is therefore unable to provide enough air when the engine
11 fonctionne à faible vitesse.It operates at low speed.
La relation de fonctionnement entre le moteur 11 et le compresseur de suralimentation à vis 13 est exprimée par: nl.P1.Vthl.nV1 = n2.P2.Vth2. nV2 (1) dans laquelle ni et n2 sont les vitesses de rotation, P1 et P2 sont les pressions, Vth1 et Vth2 sont les volumes de gaz théoriques refoulés à chaque tour et nvl, nv2 sont les rendements volumétriques (degrés de fuite). L'indice "1" correspond au compresseur de suralimentation à vis et The operating relationship between the motor 11 and the screw supercharger 13 is expressed by: nl.P1.Vthl.nV1 = n2.P2.Vth2. nV2 (1) where ni and n2 are the rotational speeds, P1 and P2 are the pressures, Vth1 and Vth2 are the theoretical gas volumes discharged at each revolution and nvl, nv2 are the volumetric efficiencies (degrees of leakage). The index "1" corresponds to the screw supercharger and
l'indice "2" correspond au moteur 11. the index "2" corresponds to the engine 11.
Par conséquent, 2, P2 nl.Vthl1nVl.P1/n2.Vth2.nV2 (2) Dans l'expression (2) , nl/n2 est une constante parce que la vitesse de rotation n1 du rotor à vis est proportionnelle à la vitesse de rotation n2 du moteur. Le rendement volumétrique nV1 décroît lorsque la vitesse de rotation n1 diminue, comme cela est représenté sur la figure 5. Les volumes théoriques Vth1 et Vth2 sont constants pour les machines volumétriques et, théoriquement, le rendement volumétrique nV2 est une constante. Donc, comme cela est évident à partir de l'expression (2), la pression P2 est faible lorsque les Therefore, 2, P2 nl.Vthl1nVl.P1 / n2.Vth2.nV2 (2) In expression (2), nl / n2 is a constant because the rotational speed n1 of the screw rotor is proportional to the speed n2 rotation of the motor. The volumetric efficiency nV1 decreases as the rotation speed n1 decreases, as shown in FIG. 5. The theoretical volumes Vth1 and Vth2 are constant for the volumetric machines and, theoretically, the volumetric efficiency nV2 is a constant. Therefore, as is evident from expression (2), the pressure P2 is low when the
rotors à vis tournent à une faible vitesse de rotation. Screw rotors rotate at a low rotational speed.
Il en résulte que le moteur 11 ne peut pas être As a result, the motor 11 can not be
suffisamment suralimenté lorsque sa vitesse est faible. sufficiently supercharged when its speed is low.
Le problème -précédent a été étudié en ne considérant que la vitesse de rotation n1 des rotors à vis du compresseur de suralimentation à vis 13 sans tenir compte des conditions de charge du moteur 11. Cependant, lorsqu'il fonctionne, le moteur 11 a besoin en pratique d'un taux de suralimentation optimal correspondant aux conditions de charge. La relation entre le taux de suralimentation optimal, la charge du moteur et sa vitesse sera désignée ici par "caractéristique de suralimentation". Pour avoir une suralimentation satisfaisante, le taux de suralimentation doit être réglé The above-mentioned problem was studied by considering only the rotation speed n1 of the screw rotors of the screw supercharger 13 without taking into account the load conditions of the engine 11. However, when it is running, the motor 11 needs in practice an optimal boost rate corresponding to the load conditions. The relationship between optimum boost rate, engine load, and speed will be referred to here as "supercharging characteristic". To have a satisfactory boost, the boost rate must be adjusted
conformément à la caractéristique de suralimentation. according to the supercharging characteristic.
Pourtant, le compresseur de suralimentation à vis 13 n'est pas en mesure de suralimenter le moteur 11 à un taux de suralimentation optimal en tenant compte des conditions de charge du moteur 11 parce que le rapport nl/n2 est constant. Il en résulte que la consommation de However, the screw supercharger 13 is not able to supercharge the motor 11 at an optimal supercharging rate taking into account the load conditions of the engine 11 because the ratio nl / n2 is constant. As a result, the consumption of
carburant du moteur 11 en est affectée. engine fuel 11 is affected.
La figure 6 représente les courbes caractéristiques de sortie I, II et III du moteur 11 pour des taux d'injection de carburant différents suivant la charge du moteur 11. La figure 6 représente également les courbes caractéristiques de suralimentation optimale A, B et C variant suivant la charge du moteur 11. Les courbes caractéristiques de sortie I, II, III représentent respectivement les variations du couple de sortie du moteur 11 dans un mode de fonctionnement à faible charge, dans un mode de fonctionnement à charge modérée et dans FIG. 6 represents the output characteristic curves I, II and III of the engine 11 for different fuel injection rates depending on the load of the engine 11. FIG. 6 also represents the optimal supercharging characteristic curves A, B and C varying according to the load of the motor 11. The output characteristic curves I, II, III respectively represent the variations of the output torque of the motor 11 in a low load operation mode, in a moderately loaded operating mode and in a
un mode de fonctionnement à charge élevée. a high load operating mode.
Quand le débit calculé du compresseur de suralimentation à vis 13 est déterminé en se basant sur le taux de suralimentation pour le mode de fonctionnement à charge élevêe du moteur 11, celui-ci est suralimenté de façon excessive pendant les modes de fonctionnement à charge modérée et à faible charge. Il en résulte que le compresseur de suralimentation à vis gaspille alors de l'énergie pour comprimer l'air et que la consommation de carburant du moteur 11 est affectée défavorablement. Dans certains cas, le couple de sortie du moteur 11 s'abaisse When the calculated flow rate of the screw supercharger 13 is determined based on the supercharging rate for the high-load operating mode of the engine 11, the latter is overcharged excessively during the moderately charged modes of operation and at low load. As a result, the screw supercharger then wastes energy to compress the air and the fuel consumption of the engine 11 is adversely affected. In some cases, the output torque of the motor 11 is lowered
au-dessous du niveau désiré.below the desired level.
Quand le débit de calcul du compresseur de suralimentation à vis 13 est déterminé en se basant sur le taux de suralimentation pour le mode de fonctionnement à faible charge du moteur 11, le taux de suralimentation devient insuffisant dans les modes de fonctionnement à' charge élevée et à charge modérée. Il en résulte un fonctionnement avec détonation et un arrêt du moteur par When the calculation rate of the screw supercharger 13 is determined based on the supercharging ratio for the low load operating mode of the engine 11, the boost rate becomes insufficient in the high load operating modes and at moderate load. This results in operation with detonation and engine shutdown by
suite d'une combustion incomplète.following incomplete combustion.
Ces problèmes sont dûs au fait que la vitesse de rotation n1 des rotors à vis du compresseur de suralimentation à vis 13 est proportionnelle à la vitesse These problems are due to the fact that the rotational speed n1 of the screw rotors of the screw supercharger 13 is proportional to the speed
de rotation n2 du moteur.n2 rotation of the motor.
En conséquence, la présente invention a pour but de créer un compresseur de suralimentation à vis à commande mécanique qui supprime les inconvénients, mentionnés précédemment, des compresseurs de Accordingly, it is an object of the present invention to provide a mechanically controlled screw supercharger which overcomes the aforementioned drawbacks of
suralimentation à vis connus.known over-feed.
A cet effet, l'invention concerne un compresseur de suralimentation à vis à commande mécanique comportant une unité de suralimentation à vis, une transmission à vitesse variable pour la liaison fonctionnelle entre l'arbre de sortie d'un moteur et l'arbre d'entrée de l'unité de suralimentation à vis, caractérisé en ce qu'il est muni d'un organe de détection pour détecter les conditions de charge du moteur et d'une unité de commande pour commander les organes de changement de vitesse de la transmission à vitesse variable à partir d'un signal fourni par l'organe de détection de manière que l'unité de suralimentation à vis fonctionne suivant des caractéristiques de suralimentation optimales prédéterminées correspondant To this end, the invention relates to a mechanically-controlled screw-type supercharger compressor comprising a screw-type supercharger unit, a variable-speed transmission for the functional connection between the output shaft of an engine and the engine shaft. input of the screw supercharger unit, characterized in that it is provided with a sensing element for detecting the load conditions of the motor and a control unit for controlling the gear shift members of the transmission. variable speed from a signal provided by the sensing member such that the screw supercharging unit operates according to corresponding predetermined optimum supercharging characteristics
aux conditions de charge du moteur.the engine load conditions.
L'invention est décrite plus en détail ci-après en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur et d'un compresseur de suralimentation à yis entrainé mécaniquement par le moteur, suivant un mode de réalisation préférentiel de l'invention, - la figure 2 est un graphique représentant la variation du rapport de changement de vitesse en fonction de la vitesse du moteur pour différentes conditions de charge du moteur, - la figure 3 et la figure 4 sont des vues schématiques d'un moteur équipé d'un compresseur de suralimentation classique, - la figure 5 est un graphique représentant la variation du rendement volumétrique d'un compresseur de suralimentation à vis en fonction de la vitesse de rotation de ses rotors, et - la figure 6 est un graphique représentant la variation du couple du moteur et celle du débit de suralimentation- requis en fonction dé la vitesse du moteur pour différentes conditions de charge de ce The invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a schematic view of a motor and a supercharger with yis mechanically driven by the engine, following a preferred embodiment of the invention; FIG. 2 is a graph showing the variation of the speed change ratio as a function of the engine speed for different engine load conditions; FIG. 3 and FIG. schematic views of an engine equipped with a conventional supercharger, - Figure 5 is a graph showing the variation of the volumetric efficiency of a screw supercharger as a function of the speed of rotation of its rotors, and - the FIG. 6 is a graph showing the variation of the engine torque and the required supercharging rate as a function of the engine speed for different load conditions of this engine.
moteur.engine.
Conformément à la figure 1, un compresseur de suralimentation & vis 1 & commande mécanique (désigné simplement dans la suite par "compresseur de suralimentation & vis") est entrainé, à partir du vilebrequin 4 d'un moteur 2, par l'intermédiaire d'une transmission à vitesse variable 3, telle que celle According to Figure 1, a supercharger & screw 1 & mechanical control (hereinafter simply referred to as "supercharger & screw") is driven from the crankshaft 4 of a motor 2, via a variable speed transmission 3, such as
décrite dans le document de brevet US N'4 094 203. described in US Patent No. 4,094,203.
La transmission à vitesse variable 3 comporte un disque de poulie 6 déplaçable par coulissement axial The variable speed transmission 3 comprises a pulley disc 6 displaceable by axial sliding
monté sur une extrémité de l'arbre de sortie, c'est-à- mounted on one end of the output shaft, that is,
dire le vilebrequin 4 du moteur 2 et un disque de poulie 7 déplaçable par coulissement axial monté sur une extrémité de l'arbre d'entrée, c'est-àdire l'arbre de rotor la du compresseur de suralimentation à vis 1. Les disques de poulie déplaçables 6 et 7 sont respectivement rapprochés et écartés des disques de poulie fixes 6' et 7' par des organes de changement de vitesse 8, par exemple au moyen d'un dispositif hydraulique tel que celui décrit dans le document de brevet US n'4 094 203, 1 pour faire varier le rapport de changement de vitesse de la transmission à vitesse variable 3. Les organes de changement de vitesse 8 commandent les positions respectives des disques de poulie déplaçables 6 et 7 conformément à un signal de commande correspondant à des données qui représentent la vitesse de rotation de l'arbre de rotor la du compresseur de suralimentation a vis 1 en remplissant des caractéristiques de suralimentation qui correspondent aux conditions de charge du moteur 2. Ces caractéristiques sont un taux de suralimentation optimal correspondant aux conditions de 2u charge du moteur 2, ce taux étant choisi sur la base d'un signal de détection fourni par un organe de détection 9 détectant les conditions de charge du moteur parmi celles qui ont été mémorisées au préalable dans une mémoire de l'unité de commande 5. Les conditions de charge du moteur 2 sont détectées en se basant sur des signaux représentant le débit d'alimentation en carburant, la the crankshaft 4 of the engine 2 and an axially displaceable pulley disc 7 mounted on one end of the input shaft, ie the rotor shaft 1a of the screw supercharger 1. The disks movable pulleys 6 and 7 are respectively brought together and spaced apart from the fixed pulley discs 6 'and 7' by means of shifting members 8, for example by means of a hydraulic device such as that described in US Pat. 4094 203, 1 to vary the speed ratio of the variable speed transmission 3. The shift members 8 control the respective positions of the displaceable pulley discs 6 and 7 in accordance with a control signal corresponding to data which represents the rotation speed of the rotor shaft 1a of the supercharger has screw 1 by filling supercharging characteristics which correspond to the load conditions of the 2. These characteristics are an optimal boost ratio corresponding to the load conditions of the engine 2, this rate being chosen on the basis of a detection signal provided by a detection element 9 detecting the engine load conditions among those which have been previously stored in a memory of the control unit 5. The load conditions of the engine 2 are detected based on signals representing the fuel feed rate, the
pression interne du moteur 2 et la vitesse de ce moteur. internal pressure of the engine 2 and the speed of this engine.
Les données, telles que celles indiquées sur la figure 2 et représentant la relation entre la vitesse du moteur et le rapport de changement de vitesse, sont mémorisées au préalable dans la mémoire de l'unité de commande 5 pour régler la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée la du compresseur de suralimentation à vis 1 à une valeur correspondant à un taux de suralimentation optimal du moteur 2 en fonction des conditions de charge de ce moteur 2. Concrètement, les courbes I, II et III de la figure 2 sont des courbes caractéristiques de changement de vitesse représentant les variations prédéterminées du rapport de changement de vitesse en fonction de la vitesse du moteur, c'est-à-dire de la vitesse de rotation du vilebrequin, pour un mode de fonctionnement à charge élevée, un mode de fonctionnement à charge modérée et un mode de fonctionnement à faible charge, respectivement. Les conditions de charge du 1' moteur 2 sont déterminées à partir d'un signal de détection fourni par l'organe de détection 9 destiné à détecter les conditions de charge du moteur 2 et on choisit en conséquence l'une des courbes caractéristiques de changement de vitesse I, II, III. Les organes de changement de vitesse 8 sont ensuite actionnés pour régler la transmission à vitesse variable 3 sur un rapport de changement de vitesse approprié correspondant The data, such as those shown in FIG. 2 and representing the relationship between the engine speed and the gear shift ratio, are previously stored in the memory of the control unit 5 to adjust the speed of rotation of the engine. input shaft 1 of the supercharger screw 1 to a value corresponding to an optimal boost rate of the engine 2 according to the load conditions of the engine 2. Specifically, the curves I, II and III of Figure 2 are shift characteristic curves representing the predetermined changes in the gear shift ratio as a function of the engine speed, i.e. crankshaft rotation speed, for a high load operating mode, a moderately charged operating mode and a low load operating mode, respectively. The load conditions of the motor 2 are determined from a detection signal supplied by the detection element 9 intended to detect the load conditions of the motor 2, and one of the characteristic characteristic curves of change is therefore chosen. speed I, II, III. The gearshift members 8 are then actuated to adjust the variable speed transmission 3 to a corresponding gearshift ratio.
à la vitesse du moteur à l'instant considéré. at the speed of the engine at the moment considered.
Bien que dans l'exemple de réalisation considéré. les modes de fonctionnement du moteur 2 aient été classés en trois modes en ce qui concerne les conditions de charge, à savoir le mode de fonctionnement à charge élevée, le mode de fonctionnement à charge modérée et le mode de fonctionnement à faible charge, les modes de fonctionnement peuvent être classés de façon Although in the exemplary embodiment considered. the operating modes of the engine 2 have been classified in three modes with regard to the load conditions, ie the high load operating mode, the moderately load operating mode and the low load operating mode, the operating modes. of operation can be classified so
différente de ce qui a été décrit de façon spécifique. different from what has been specifically described.
En outre, les organes de changement de vitesse 8 peuvent être remplacés par d'autres organes de In addition, the gearshift members 8 may be replaced by other gear members.
changement de vitesse appropriés.appropriate gear changes.
Comme il ressort de la description qui précède, As is apparent from the foregoing description,
conformément à la présente invention, la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée du compresseur de according to the present invention, the rotational speed of the input shaft of the compressor of
suralimentation à vis, correspondant au taux e?- screw supercharging, corresponding to the e?
suralimentation de ce compresseur, est réglée conformément aux conditions de charge de moteur au lieu 26t4649 d'être réglée proportionnellement à la vitesse de rotation du vilebrequin du moteur. Il en résulte que le moteur est suralimenté en tout temps & une pression de suralimentation optimale. Par conséquent, la consommation de carburant est diminuée et le moteur est en mesure de - développer une puissance de sortie stable sans qu'il y ait une possibilité de détonation du moteur, ni un risque supercharging of this compressor, is set according to the engine load conditions instead 26t4649 to be adjusted proportionally to the crankshaft speed of the engine. As a result, the engine is supercharged at all times & an optimal boost pressure. As a result, fuel consumption is reduced and the engine is able to - develop stable output power without the possibility of engine detonation or risk
de calage de celui-ci.stalling of it.
1X 2u1X 2u
Claims (2)
Applications Claiming Priority (1)
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