Brevet FR2712028A1 — publié le 19950512

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A INJECTION INDIRECTE DE CARBURANT La présente invention a pour objet un moteur à combustion interne multicylindre à injection indirecte et à allumage commandé destiné notamment à équiper un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement le système d'admission du mélange carburé air/essence dans les cylindres du moteur. Les normes concernant la pollution et la consommation des moteurs à combustion interne, et en particulier des moteurs à essence ou à allumage commandé, se sévérisent chaque jour davantage dans l'ensemble des pays industrialisés. L'industrie automobile est donc occupée aujourd'hui à trouver des solutions techniques pour satisfaire à ces contraintes et ce sans trop pénaliser ni les performances des moteurs ni leur prix de revient. Le principe de la combustion interne par injection de carburant mélangée avec de l'air dans le moteur, est connu depuis fort longtemps. De tels moteurs peuvent être classés en deux groupes séparés : les moteurs à injection directe et les moteurs à injection indirecte. L'injection est dite directe si elle est opérée dans les chambres de combustion du moteur. L'injection directe présente de nombreux avantages grâce notamment à la stratification de la charge admise dans les cylindres. Ainsi l'injection directe permet de supprimer le papillon de commande du débit d'air, le couple étant alors directement régulé par action sur la quantité de carburant injectée dans chaque cylindre, d'où une amélioration sensible du remplissage. Par ailleurs grâce à l'injection directe et à l'hétérogénéité du mélange carburé présent dans les chambres de combustion, il est possible de contrôler parfaitement la combustion même pour les très faibles quantités de carburant injectées, ce qui conduit à réduire la consommation en carburant et à abaisser les émissions de gaz polluants du moteur. L'injection directe présente toutefois des difficultés de réalisation qui en limite toutefois l'utilisation. Ainsi, La présence des injecteurs de carburant dans les chambres de combustion expose ceux-ci aux hautes pressions et surtout aux hautes températures, ce qui oblige pour réaliser ces injecteurs de recourir à des aciers spéciaux et nécessite un système de lubrification des pièces en mouvement particulièrement compliqué, d'où des coûts de fabrication très élevés. L'injection est dite indirecte si elle a lieu dans la tubulure d'admission, en amont des soupapes d'admission donc en dehors des cylindres. L'injection indirecte permet d'utiliser des injecteurs de conception plus simple, ces derniers n'étant plus soumis aux hautes températures et aux hautes pression de l'injection directe. Toutefois les systèmes d'injection indirecte connus ne permettent pas de faire de la stratification de la charge dans la chambre de combustion, le carburant injecté se mélange en effet intimement à l'air comburant avant de franchir les soupapes d'admission et c'est un mélange sensiblement homogène qui pénètre dans la chambre de combustion. Or l'utilisation d'un mélange homogène air-essence s'avère pénalisant en terme de consommation de carburant et d'émission de polluants notamment lors du fonctionnement du moteur à faible charge ou à charge partielle. On a cherché à réduire cette consommation excessive en carburant des systèmes d'injection indirecte en tentant de diminuer la richesse du mélange, de manière à former un mélange combustible dit "pauvre". Pour favoriser la combustion d'un tel mélange pauvre, il s'avère nécessaire de générer une forte turbulence à l'intérieur des chambres de combustion, les caractéristiques de cette turbulence devant être adaptées aux conditions de fonctionnement du moteur : régime, charge, température d'eau, etc. Différents dispositifs ont été développés pour opérer une forte turbulence. On peut citer le brevet FR-A-2.486.156 qui décrit un moteur qui comporte en plus d'un conduit principal d'admission débouchant dans un cylindre, un conduit secondaire d'admission de diamètre plus petit dont l'orifice de sortie est situé juste avant la soupape d'admission et orienté de façon que le jet de gaz provenant du conduit secondaire engendre des tourbillons hélicoïdaux générant une turbulence encore appelée "swirl". Des études ont montré qu'une autre forme de turbulence, appelée encore "tumble", formée par des tourbillons évoluant en rouleau (axe de rotation horizontal, contrairement au "swirl" d'axe vertical) est encore plus favorable, dans certaines conditions de fonctionnement du moteur, que le "swirl". Toutefois jusqu'à ce jour aucun système d'injection indirecte n'est parvenu à égaler les performances de l'injection directe, notamment en terme de consommation. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif d'alimentation, de conception relativement simple et économique, qui permette avec un système d'injection de carburant du type indirecte d'obtenir une stratification de la charge sensiblement similaire à celle obtenue avec une injection directe. Le moteur à combustion interne selon l'invention, du type multicylindre à injection indirecte de carburant et à allumage commandé comporte un circuit d'admission des gaz comprenant un collecteur d'admission présentant un volume répartiteur d'air et des conduites tubulaires d'admission, chaque conduite étant prolongée par deux conduits séparés traversant la culasse pour déboucher dans un cylindre donné par deux orifices distincts d'admission et un circuit d'alimentation en carburant comprenant pour chaque cylindre au moins un électro-injecteur de carburant débouchant dans l'un des deux conduits d'admission associés. Selon l'invention, le moteur à combustion interne est caractérisé en ce que des moyens d'étranglement pilotés sont disposés sur le circuit d'admission des gaz en amont des cylindres de façon à créer sélectivement suivant les conditions de fonctionnement du moteur des écoulements d'air turbulents de type rouleaux à l'intérieur des conduits d'admission et au delà des soupapes d'admission dans les cylindres. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne conformément à l'invention, les injecteurs sont commandés de façon à n'injecter du carburant que dans un seul conduit d'admission par cylindre lorsque les moyens d'étranglement génèrent des écoulements d'air turbulents de type rouleaux à l'intérieur des conduits d'admission. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne conformément à l'invention, la forme des sections des conduites tubulaires du collecteur et des conduits d'admission ménagés dans la culasse est sensiblement oblongue de façon à favoriser la propagation d'un écoulement turbulent de type rouleaux. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne conformément à l'invention, les moyens d'étranglement sont formés par des clapets à guillotine disposés entre les conduites du collecteur d'admission et les conduits d'admission correspondants agencés dans la culasse, les clapets étant commandés par des moyens de manoeuvre pilotés pour sélectivement limiter l'ouverture de passage de l'air en réponse aux conditions de fonctionnement du moteur. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne conformément à l'invention, les clapets comportent des volets aptes à coulisser perpendiculairement à la direction de l'écoulement de l'air, chaque volet étant mobile entre une première position dans laquelle le passage de l'air est totalement libre et une seconde position dans laquelle le volet n'autorise le passage de l'air qu'à travers une lumière oblongue de dimension prédéterminée. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne conformément à l'invention, un électro-injecteur débouche dans chacun des conduits d'admission d'un cylindre. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne conformément à l'invention, les injecteurs de carburant sont agencés dans la culasse de façon à déboucher au voisinage des orifices d'admission. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne conformément à l'invention, deux bougies débouchent dans chacun des cylindres, une première bougie débouchant sensiblement en position centrale et une seconde débouchant latéralement au voisinage de l'orifice d'admission par lequel pénètre le carburant lorsque les moyens d'étranglement génèrent des écoulements d'air turbulents de type rouleaux à l'intérieur des conduits. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description présentée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure 1 est une vue schématique partielle d'un moteur à combustion interne comportant un dispositif d'admission selon l'invention ; les figures 2a et 2b sont des vues similaires en coupe transversale selon un plan vertical de l'obturateur représenté à la figure 1 précisant sa structure et son fonctionnement ; la figure 3 est une vue en coupe selon III III de la figure 2b. Seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. Pour faciliter la lecture des dessins, on utilisera les mêmes références pour désigner les mêmes pièces d'une figure à l'autre. La figure 1 représente un moteur à combustion interne du type multicylindre à deux soupapes d'admission par cylindre. Un seul cylindre 4 a été représenté, les autres cylindres du moteur fonctionnant de manière identique à celui illustré. Tel qu'il est représenté à la figure 1, le cylindre 4 est surmonté par une culasse 3 formant couvercle. Deux conduits d'admission 5,6 traversent la culasse pour déboucher dans le cylindre 4. Ces conduits s'étendent séparément et symétriquement de part et d'autre d'un plan médian vertical PP' passant par l'axe du cylindre. Les deux conduits d'admission 5,6 débouchent dans la partie haute du cylindre 4 formant la chambre de combustion, par deux orifices distincts respectivement 7,8 commandés par des soupapes d'admission du type à tige non figurées. Dans la chambre de combustion débouche en outre une bougie d'allumage dont seul a été figuré le logement 11. De façon similaire aux conduits d'admission mais diamétralement opposés par rapport à ces derniers, deux conduits d'échappement débouchent dans la partie haute du cylindre 4 par deux orifices distincts commandés par des soupapes d'échappement à tige non figurées. Dans l'exemple de réalisation figuré, les deux conduits d'admission 5,6 sont du type siamoisés, c'est-à-dire qu'ils se rejoignent directement dans la culasse 3 pour ne former plus qu'un conduit commun 12 dont l'orifice d'entrée débouche sur une face latérale de la culasse 3. Cet orifice est raccordé à une conduite tubulaire d'aspiration 1 de même section qui débouche dans le volume répartiteur d'air (plénum) du collecteur d'admission non figuré, le circuit d'admission se prolongeant ensuite de manière connue à l'atmosphère par un boîtier papillon et un filtre à air. La section de passage de la conduite 1, et du conduit 12 qui est son prolongement dans la culasse 3, est de type oblong, c'est-à-dire plus large que haute, on peut ainsi choisir un rapport grand axe sur petit axe, supérieur à 2. La forme de la section peut être sensiblement ovale ou encore rectangulaire. Des moyens d'étranglement 2 pilotés sont disposés, entre la conduite tubulaire 1 du collecteur d'admission et le conduit commun 12 agencé dans la culasse 3. Ces moyens d'étranglement ont pour fonction d'adapter les caractéristiques de l'écoulement gazeux pénétrant dans le conduit 12, les conduits 5,6 et le cylindre 4, et notamment la turbulence de l'écoulement, suivant les conditions de fonctionnement du moteur. La section de passage du conduit 12 est divisée par une paroi séparatrice 10 s'étendant dans le plan longitudinal central PP', en deux passages de mêmes dimensions débouchant dans les conduits correspondants 6 et 5. L'objet de cette paroi 10 est de séparer les écoulements d'air traversant les conduits 6 et 5, sitôt le clapet d'étranglement 2 franchi. Le circuit d'alimentation en carburant comprend lui, un électro-injecteur 9 logé dans la culasse 3 de façon à déboucher dans l'un des deux passages d'admission délimités par la paroi 10. Cet injecteur est piloté par un système électronique de contrôle moteur non figuré, qui détermine la quantité de carburant à injecter suivant les conditions de fonctionnement du moteur. Préférentiellement l'injecteur 9 est un injecteur à manteau d'air assisté par une pompe à air ou du type pulse-air, un tel injecteur permet d'augmenter la pulvérisation du carburant et donc de limiter les phénomènes de mouillage des parois notamment lors des démarrages à froid. Toutefois des injecteurs classiques sans jet d'air peuvent être également utilisés dans le cadre de la présente invention. Conformément aux figures 2a, 2b et 3, les moyens d'étranglement 2 sont réalisés par un clapet du type à guillotine. Ce clapet comprend un boîtier 20 dans lequel est ménagé un passage 23 de section adaptée permettant d'assurer la continuité entre le conduit 1 et le conduit 12. La section du passage 23 est donc sensiblement identique à celle des conduits 1 et 12. A l'intérieur du boîtier 20 est logé un volet mobile 22 formé par une plaque métallique pouvant coulisser perpendiculairement au passage 23 dans un évidement de guidage correspondant. Des moyens d'étanchéité non figurés assurent l'étanchéité aux gaz du boîtier 20. Le volet 22 coopère par l'intermédiaire d'une tige de manoeuvre 21 avec des moyens d'entraînement pilotés non figurés. Ces moyens d'entraînement sont constitués par des actionneurs électromécaniques commandés par un circuit électronique de commande alimenté par les signaux engendrés par un ou plusieurs capteurs. Ce circuit est avantageusement constitué par le système électronique de contrôle moteur qui pilote les moyens de manoeuvre suivant les conditions de fonctionnement du moteur. Sous l'action de ces moyens de manoeuvre agissant en réponse aux valeurs prises par un ou plusieurs paramètres caractéristiques du fonctionnement du moteur tels que la charge et/ou le régime, le volet 22 est sélectivement manoeuvré entre une première position dite forte charge (figure 2a), et une seconde position dite faible charge (figure 2b). Dans la première position du volet 22, dite forte charge, celui-ci occupe le fond de son logement et libère totalement le passage 23. Ce dernier ne présente donc aucune perte de charge. Compte tenu de la forme du conduit 12 et des conduits 5 et 6 l'écoulement de l'air d'admission est alors faiblement turbulent, ce qui permet un remplissage optimal du cylindre 4. Dans sa seconde position dite faible charge, le volet 22 repoussé à l'autre extrémité de son logement obture alors partiellement le passage 23, le passage de l'air d'admission ne peut alors se faire qu'à travers une étroite lumière oblongue de dimension prédéterminée découpée dans le volet 22 et qui s'étend alors dans la partie supérieure du passage 23. L'écoulement de l'air à travers cette lumière provoque une forte turbulence de type tumble ou rouleaux qui se poursuit à travers le conduit 12, dont la forme est particulièrement adaptée à un tel mouvement tourbillonnaire, puis par des conduits 5 et 6 jusque dans le cylindre 4 où le mouvement tourbillonnaire continue à se développer. La dimension et le positionnement de cette lumière sont adaptés au niveau de turbulence souhaité. Conformément à la description qui précède, le fonctionnement du dispositif est le suivant. Lors du fonctionnement du moteur à faible charge ou à charge partielle, les moyens d'entraînement manoeuvrent le volet obturateur 22 dans sa seconde position. Le flux d'air traverse alors la lumière oblongue ce qui génère une forte turbulence de type tumble ou rouleaux qui se répercute dans les conduits 5,6 et le cylindre 4. On obtient donc dans le cylindre 4 deux tourbillons parallèles distincts d'axes perpendiculaires au plan PP'. L'injection du carburant opéré par l'injecteur 9 dans le seul conduit d'admission 6 provoque alors la stratification de la charge admise dans le cylindre 4. Un demi cylindre est en effet rempli d'un mélange air-essence de richesse donnée et un demi cylindre est rempli principalement d'air. Le mouvement tourbillonnaire ordonné établi dans le cylindre 4 évite l'homogénéisation du mélange et lors de l'étincelle électrique au voisinage du Point Mort Haut, on dispose d'un mélange hétérogène avec une zone de richesse élevée et une zone de richesse très faible pour ne pas dire nulle. Grâce à cette stratification de type injection directe, il est possible de faire fonctionner le moteur avec une richesse globale inférieure à 0,7. Grâce à la forte turbulence de l'air d'admission, il est parfaitement réalisable de commander l'injection de carburant pendant la phase d'ouverture de la soupape d'admission correspondante, cette injection à travers la soupape ouverte permettant d'accentuer la stratification de la charge et d'éviter les phénomènes de mouillage des parois qui peuvent survenir lors de l'injection soupape fermée. Lors du fonctionnement du moteur à forte charge, les moyens d'entraînement pilotés manoeuvrent le volet obturateur 22 dans sa première position. Le flux d'air traverse alors librement le passage 23 et pénètre avec le minimum de turbulence dans le cylindre 4, favorisant de ce fait le remplissage du cylindre et les performances du moteur. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. Ainsi, on peut utiliser deux injecteurs 9 de carburant débouchant de part et d'autre de la paroi séparatrice 10, chaque conduit d'admission 5,6 pouvant être alors alimenté en mélange combustible. Le système électrique de contrôle moteur pilote alors les conditions de fonctionnement du moteur. A faible charge ou à charge partielle, seul l'un des injecteurs fonctionne de façon à assurer la stratification de la charge dans le cylindre 4 tandis qu'à forte charge les deux injecteurs fonctionnent simultanément pour assurer un débit maximal de carburant. De même, on peut utiliser un double allumage en disposant deux bougies débouchant respectivement au centre de la chambre et sur le côté latéral. Ce double allumage permet lors d'un fonctionnement en charge stratifiée (à faible charge ou à charge partielle) d'améliorer sensiblement la propagation de la combustion et d'abaisser sensiblement la richesse globale du mélange. Des essais ont montré qu'avec un tel système il est possible de fonctionner avec des richesses inférieures à 0,5. Ce double allumage, dont le fonctionnement est par exemple piloté par le système électronique de contrôle moteur, peut être débrayé suivant les conditions de fonctionnement du moteur, ainsi lors d'un fonctionnement à forte charge il est possible de ne plus utiliser que la bougie disposée en position centrale. Par ailleurs, il est possible d'utiliser non plus deux conduits d'admission siamoisés mais deux conduits séparés débouchant sur la face latérale de la culasse 3 par deux orifices d'entrée séparés, la forme de ces conduits étant choisie de façon à assurer la propagation du mouvement tourbillonnaire. De plus, les moyens d'étranglement peuvent être pilotés de façon à modifier progressivement la turbulence de l'écoulement d'air suivant les conditions de fonctionnement du moteur. Ainsi l'ouverture délimitée par le volet 22 dans le passage 23 est adaptée au fonctionnement du moteur par exemple à partir d'une cartographie mémorisée par le système de contrôle moteur définissant l'ouverture et donc le taux de turbulence suivant le point de fonctionnement du moteur. Ainsi, la position de la paroi séparatrice 10 peut être décalée par rapport au plan longitudinal central PP', de façon à diviser l'écoulement d'air en deux parties non égales. REVENDICATIONS (1] Moteur à combustion interne du type multicylindre à injection indirecte de carburant et à allumage commandé comportant un circuit d'admission des gaz comprenant un collecteur d'admission présentant un volume répartiteur d'air et des conduites tubulaires d'admission (1), chaque conduite (1) étant prolongée par deux conduits séparés (5,6) traversant la culasse (3) pour déboucher dans un cylindre (4) donné par deux orifices distincts d'admission (7,8) et un circuit d'alimentation en carburant comprenant pour chaque cylindre (4) au moins un électro-injecteur de carburant (9) débouchant dans l'un (6) des deux conduits d'admission (5,6) associés, caractérisé en ce que des moyens d'étranglement pilotés (2) sont disposés sur le circuit d'admission des gaz en amont des cylindres (4) de façon à créer sélectivement suivant les conditions de fonctionnement du moteur des écoulements d'air turbulents de type rouleaux à l'intérieur des conduits d'admission (5,6). [2] Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les injecteurs (9) sont commandés de façon à n'injecter du carburant que dans un seul conduit d'admission (6) par cylindre (4) lorsque lesdits moyens d'étranglement (2) génèrent des écoulements d'air turbulents de type rouleaux à l'intérieur desdits conduits (5,6). [3] Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la forme des sections des conduites tubulaires (1) du collecteur et des conduits d'admission (5,6) ménagés dans la culasse (3) est sensiblement oblongue de façon à favoriser la propagation d'un écoulement turbulent de type rouleaux. [43 Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'étranglement sont formés par des clapets à guillotine (2) disposés entre les conduites (1) du collecteur d'admission et les conduits d'admission (5,6) correspondants agencés dans la culasse (3), lesdits clapets (2) étant commandés par des moyens de manoeuvre pilotés pour sélectivement limiter l'ouverture de passage de l'air en réponse aux conditions de fonctionnement du moteur. [5] Moteur à combustion interne selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits clapets comportent des volets (22) aptes à coulisser perpendiculairement à la direction de l'écoulement de l'air, chaque volet (22) étant mobile entre une première position dans laquelle le passage de l'air est totalement libre et une seconde position dans laquelle le volet (22) n'autorise la passage de l'air qu'à travers une lumière oblongue de dimension prédéterminée. [6] Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un électro-injecteur (9) débouche dans chacun des conduits d'admission (5,6) d'un cylindre (4). [7] Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits injecteurs de carburant (9) sont agencés dans la culasse (3) de façon à déboucher au voisinage des orifices d'admission (7,8). [8] Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux bougies débouchent dans chacun des cylindres (4), une première bougie débouchant sensiblement en position centrale (11) et une seconde débouchant latéralement au voisinage de l'orifice d'admission (8) par lequel pénètre le carburant lorsque lesdits moyens d'étranglement (2) génèrent des écoulements d'air turbulents de type rouleaux à l'intérieur desdits conduits (5,6).