Brevet FR2724414A1 — publié le 19960315

L'invention concerne un moteur à allumage par compression à injection directe, à vortex réglable. On connait des moteurs à allumage par compression ou moteurs Diesel à injection directe qui comprennent un bloc-cylindres dans lequel est ménagé au moins un cylindre, un piston monté mobile dans le cylindre dans la direction de l'axe du cylindre, une culasse superposée au bloc-cylindres dans laquelle sont ménagés au moins un conduit d'admission et au moins un conduit d'échappement débouchant dans le cylindre, au moins une soupape d'admission pour la fermeture du ou des conduits d'admission et au moins une soupape d'échappement pour la fermeture du ou des conduits d'échappement, à leurs extrémités débouchant dans le cylindre et un injecteur de carburant qui débouche dans la chambre du cylindre au-dessus du piston. Il existe également des moteurs à allumage par compression à injection indirecte qui comportent une préchambre de combustion associée à chacun des cylindres dans laquelle est injecté le carburant. La préchambre constitue une préchambre de turbulence dans laquelle le carburant est entraîné par un jet d'air en mouvement tourbillonnaire avant d'être injecté dans le cylindre. Les moteurs à injection directe se sont avérés supérieurs aux moteurs à injection indirecte, lorsqu'on recherche une très faible consommation de carburant, si bien qu'il existe actuellement, chez les constructeurs de véhicules automobiles, une tendance à développer les moteurs à combustion directe, en vue de mettre sur le marché des véhicules ayant une très faible consommation. Il est cependant nécessaire, dans le cadre de la conception des moteurs à injection directe, de rechercher un bon compromis entre les performances du moteur et ses caractéristiques quant à l'émission et au rejet de matières polluantes. Dans les moteurs à injection directe, l'air qui est admis dans les cylindres par l'intermédiaire d'un ou plusieurs conduits d'admission est mis en mouvement tourbillonnaire dans une partie d'extrémité du conduit débouchant dans le cylindre, ayant la forme d'une volute dont l'axe est sensiblement parallèle à l'axe du cylindre. On crée ainsi un vortex, généralement désigné par le terme anglais "swirl" à l'intérieur du cylindre. La circulation tourbillonnaire de l'air admis dans le cylindre est généralement défini par un paramètre appelé taux de swirl ou nombre de swirl qui est égal au rapport entre la vitesse de rotation de la masse d'air autour de l'axe du cylindre et la vitesse de rotation du moteur. Les conditions de fonctionnement d'un moteur de véhicule automobile varient dans une très large plage, le régime du moteur défini par la vitesse de rotation en nombre de tours par minute pouvant aller de 750 à 4500, le couple du moteur passant lui-même de la valeur zéro à une valeur maximale correspondant au couple à pleine charge. A l'intérieur de cette très large gamme d'allures de fonctionnement du moteur, il est nécessaire de régler dans tous les cas le fonctionnement du moteur à injection directe, de manière à obtenir de très bonnes performances et des rejets polluants à un niveau acceptable. Le réglage du moteur, en fonction des allures de fonctionnement, peut être réalisé en faisant varier le taux de swirl en fonction du niveau atteint par certains paramètres et en particulier par la vitesse de rotation du moteur. Le réglage du taux de swirl nécessite qu'on puisse effectuer un certain pilotage et un certain guidage du flux d'air dans le ou les conduits d'admission. Dans le cas d'un moteur à allumage par compression à quatre soupapes par cylindre, on a proposé dans la demande de brevet FR-A-2.692.007 déposée par les Sociétés AUTOMOBILES PEUGEOT et AUTOMOBILES CITROEN, un dispositif d'admission permettant de régler le taux de swirl en fonction du régime de fonctionnement du moteur. Dans le cas du moteur à quatre soupapes par cylindre, c'est-à-dire comportant deux soupapes d'admission assurant chacune l'ouverture et la fermeture d'un conduit d'admission et deux soupapes d'échappement, on a proposé dans le FR-A2.692.007, de prévoir, pour l'un des conduits d'admission, une conception permettant d'obtenir un fort taux de swirl (par exemple un taux de l'ordre de 6) et pour le deuxième conduit d'admission, une conception permettant d'obtenir un faible taux de swirl (par exemple de l'ordre de 1,5). Parallèlement, le premier conduit qui ne permet pas d'injecter un débit important d'air dans le cylindre est dit peu perméable alors que le second conduit qui permet d'injecter un fort débit d'air est dit très perméable. Un organe d'obturation disposé sur le second conduit à faible taux de swirl et à forte perméabilité permet, pendant le fonctionnement du moteur, de moduler le taux de swirl et le débit en fonction du régime du moteur. Par exemple, pour les bas régimes de rotation du moteur, on obture le second conduit pour éviter de perturber l'effet tourbillonnaire obtenu dans le flux de gaz sortant du premier conduit. Au contraire, à haut régime, on ouvre le second conduit de manière à obtenir un débit d'air suffisant à l'intérieur du cylindre. Cependant, un tel dispositif d'admission d'air dans des conditions réglées n'est pas applicable aux moteurs à deux soupapes par cylindre qui ne comportent qu'un conduit d'admission. Les moteurs à deux soupapes par cylindre sont beaucoup moins coûteux et donc appelés à une plus grande diffusion que les moteurs à quatre soupapes par cylindre. Il est donc tout-à-fait souhaitable de disposer de moyens de réglage du taux de swirl ou taux de vortex dans le cas des moteurs à deux soupapes par cylindre. Le but de l'invention est donc de proposer un moteur à allumage par compression à injection directe comportant un bloc-cylindres dans lequel est ménagé au moins un cylindre, un piston monté mobile dans le cylindre suivant la direction de l'axe du cylindre, une culasse superposée au bloc-cylindres dans laquelle sont ménagés, pour chacun des cylindres, un conduit d'admission et un conduit d'échappement débouchant dans le cylindre, une soupape d'admission pour la commande du conduit d'admission et une soupape d'échappement pour la commande du conduit d'échappement, à leurs extrémités débouchant dans le cylindre, le conduit d'admission formant une volute ayant un axe parallèle à l'axe du cylindre à son extrémité débouchant dans le cylindre et un injecteur de carburant, ce moteur à allumage par compression permettant de moduler le taux de vortex de l'air pénétrant par le conduit d'admission et la perméabilité du conduit d'admission, en fonction du régime de fonctionnement du moteur. Dans ce but, le conduit d'admission est divisé en deux canaux adjacents par une cloison disposée sensiblement suivant l'axe du conduit d'admission et sensiblement parallèle à un plan axial du cylindre, s'étendant jusqu'à l'entrée de la volute, de manière qu'un premier canal débouche dans une première zone périphérique de la volute et qu'un second canal débouche dans une seconde zone centrale de la volute adjacente à la première zone, un organe d'obturation muni de moyens de commande d'ouverture et de fermeture étant disposé sur le second canal, dans une partie du second canal éloignée de la volute. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réali sation d'un moteur à allumage par compression à injection directe suivant l'invention. La figure 1 est une vue en coupe partielle d'un moteur à allumage par compression à injection directe. La figure 2 est une vue en coupe axiale partielle suivant 2-2 de la figure 3. La figure 3 est une vue en coupe suivant 3-3 de la figure 2. Les figures 4A et 4B sont des vues schématiques en coupe analogues à la vue de la figure 3 montrant le canal d'admission d'un moteur suivant l'invention et l'écoulement d'air dans le canal d'admission, au cours de deux phases de fonctionnement du moteur. La figure 5 est une vue en coupe suivant 5-5 de la figure 3. Sur la figure 1, on voit un moteur à allumage par compression à injection directe désigné de manière générale par le repère 1 qui comporte un bloc-cylindres 2 et une culasse 3 rapportée sur la partie supérieure du bloc-cylindres 2. A l'intérieur du bloc-cylindres 2 est usinée au moins une chambre d'un cylindre 4 ayant un axe vertical 5 dans laquelle est monté mobile, suivant l'axe 5, un piston 6 dont la partie supérieure comporte une cavité ; une chambre de combustion 7 est délimitée par la cavité du piston 6 et la surface du plan de joint 3a de la culasse 3, lorsque le piston 6 est dans sa position haute à l'intérieur de la chambre de cylindre 4, comme représenté sur la figure 1. La culasse 3 est usinée de manière que deux conduits débouchent dans la chambre 4 du cylindre, au niveau du plan de joint 3a de la culasse 3. Sur la figure 1, on a représenté un canal 8 dont l'extrémité débouchant dans la chambre 4 du cylindre au niveau du plan de joint 3 de la culasse peut être fermée par une soupape 9 commandée par l'arbre à came du moteur. Le moteur 1 représenté sur la figure 1 est un moteur à deux soupapes par cylindre, de sorte qu'il comporte un canal d'admission qui est commandé par une soupape d'admission et un canal d'échappement qui est commandé par une soupape d'échappement. Dans la chambre 7 du moteur à injection directe, débouche la partie d'extrémité d'un injecteur de carburant 10 et d'une bougie de préchauffage 11. De manière à obtenir une circulation d'air sous la forme d'un tourbillon à l'intérieur de la chambre 4 du cylindre, au moment de la phase d'admission, l'extrémité du conduit d'admission telle que la partie 8a du conduit 8 débouchant dans la chambre 4 du cylindre est réalisée sous la forme d'une volute (encore appelée escargot) ayant un axe parallèle à l'axe 5 du cylindre. De cette manière, l'air pénétrant dans le cylindre 4 par le conduit d'admission est mis en rotation à très grande vitesse autour d'un axe parallèle à l'axe du cylindre. Dans le cas des moteurs à deux soupapes par cylindre on ne dispose pas de moyens pour régler la vitesse de rotation du tourbillon ou vortex à l'intérieur de la chambre du cylindre, suivant le régime du moteur. Sur les figures 2 et 3, on a représenté un conduit d'admission 14 ménagé à l'intérieur de la culasse 13 d'un moteur à allumage par compression à injection directe suivant l'invention. De manière habituelle, le conduit 14 présente une partie d'extrémité 14'a débouchant dans la chambre 16 du cylindre auquel est associé le conduit d'admission 14 et réalisée sous la forme d'un escargot ou volute ayant un axe 15 parallèle à l'axe de la chambre 16 du cylindre. Le flux d'air provenant du conduit d'admission 14 à travers la volute 14'a est mis en rotation autour de l'axe 15 pour constituer un vortex dont la vitesse de rotation autour de l'axe 15 peut être un multiple de la vitesse de rotation du moteur. On définit un taux de vortex ou de swirl égal au rapport de la vitesse de rotation du vortex autour de l'axe 15 à la vitesse de rotation du moteur. Le conduit d'admission 14 débouche dans la chambre du cylindre 16 par un orifice situé dans le plan de joint 13a de la culasse suivant lequel est disposé un siège 17 sur lequel vient s'appliquer dans sa position de fermeture, une tête d'une soupape 18 comportant une tige de soupape 18a montée mobile dans la direction de l'axe 15 à l'intérieur de la culasse 13. Comme il est visible sur les figures 2 et 3, le conduit 14 est séparé en deux canaux 14a et 14b par une cloison 19 disposée de manière générale suivant l'axe du conduit 14 et sensiblement parallèle à un plan axial du cylindre 16. Dans le cas de la disposition d'un moteur représenté sur les figures 2 et 3 dont l'axe du cylindre est vertical, la cloison 19 est elle-même verticale. Comme il est visible sur la figure 5, les canaux 14a et 14b sont totalement séparés l'un de l'autre par la cloison 19 qui joint deux parties sensiblement opposées diamétralement du conduit 14, sur toute sa longueur entre sa partie d'entrée à l'intérieur de la culasse 13 et la volute 14'a. Le canal 14a ou premier canal débouche dans la volute 14'a dans une zone périphérique de la volute située vers l'extérieur et délimitée par la paroi courbe de la volute. L'extrémité du premier canal 14a présente une direction tangentielle par rapport à la volute et, lorsque de l'air est en circulation dans le premier canal 14a, cet air, comme représenté par la flèche 20, est mis en rotation autour de l'axe 15 de la volute, de telle sorte que le rayon du vortex formé à l'intérieur de la volute 14'a ait une valeur proche du grand rayon de la volute. Le flux d'air 20 présente une forte vitesse de rotation et la circulation tourbillonnaire de l'air réduit le débit pénétrant dans la chambre 16 du cylindre. Le premier canal 14a produit un écoulement ayant un fort taux de swirl et sa perméabilité est relativement faible. Le second canal 14b est dirigé à l'intérieur de la volute 14'a vers une zone centrale de la volute dans laquelle passent l'axe 15 du cylindre et la tige de soupape 18a. Comme représenté sur la figure 3, par la flèche 21, le flux d'air passant dans le canal 14b donne naissance à un écoulement dont la vitesse de rotation à l'intérieur de la volute 14'a est faible, l'air étant dirigé dans une zone adjacente à la zone périphérique dans laquelle circule l'écoulement 20 et disposée de manière centrale dans la volute 14'a. En revanche, un débit d'air important peut parvenir dans la chambre 16, par l'intermédiaire de la volute 14'a et du second canal 14b. Le second canal 14b présente donc un faible taux de swirl et une forte perméabilité. La paroi de séparation 19 du conduit d'admission 14 comporte, au moins une partie d'extrémité 19a débouchant dans la volute 14'a ayant une courbure telle que l'air circulant dans le premier canal 14a soit dirigé vers la paroi délimitant la volute, sous la forme d'un écoulement tangentiel. La paroi de séparation 19 et la volute 14'a peuvent être conçues de manière que l'écoulement parvenant dans la chambre 16 du cylindre par le premier canal 14a et la volute 14'a présente un taux de swirl élevé supérieur ou égal à 4 et par exemple voisin de 6. La paroi du conduit 14 et la volute sont également prévues pour que le taux de swirl de l'écoulement provenant du second canal 14b soit faible et par exemple de l'ordre de 1,5. Pour donner un mouvement tourbillonnaire à l'air provenant du second canal 14b, malgré la direction pratiquement centrale de ce canal, la paroi intérieure du conduit 14 et la surface courbe de la paroi de séparation 19 peuvent présenter à l'extrémité du second canal 14b, une légère courbure. Comme il est visible sur les figures 3, 4A et 4B, le second canal 14b produisant un écoulement à faible taux de vortex et présentant une forte perméabilité est équipé, dans une zone éloignée de sa partie débouchant à l'intérieur de la volute 14'a, d'un moyen d'obturation 22 qui peut être constitué par une vanne à obturateur pivotant ou par une vanne à clapet par exemple. L'obturateur 22 peut être déplacé entre une position de fermeture représentée sur la figure 4A et une position d'ouverture représentée sur la figure 4B. Comme représenté sur la figure 4A, lorsque le second canal 14b du conduit d'admission 14 est fermé par l'obturateur 22, le débit d'air passe intégralement par le premier canal 14a qui débouche dans la volute, dans une disposition sensiblement tangentielle par rapport à la paroi de la volute. Dans ce cas, on obtient un guidage efficace du flux par la paroi de la volute et le rayon de rotation du vortex à l'intérieur de la volute est maximal. I1 en résulte un taux de swirl qui est maximal et qui peut être par exemple de l'ordre de 6. En revanche, la perméabilité du conduit d'admission 14 est alors relativement faible. De préférence, on utilisera la position fermée de l'obturateur 22 tel que représenté sur la figure 4A, lorsque le moteur est à bas régime. On a de plus représenté, de manière symbolique, par la courbe 23, la répartition des vitesses de l'air à la sortie du premier canal 14a, cette répartition des vitesses constituant le champ de vitesse de l'air dans la partie d'entrée de la volute. On voit ainsi que le bras de levier ou rayon de giration moyen r du vortex présente une valeur proche de la valeur du rayon de la volute. Sur la figure 4B, on a représenté le conduit d'admission et l'écoulement de l'air dans le conduit et à la sortie des deux canaux 14a et 14b constituant le conduit, lorsque l'obturateur 22 est dans une position ouverte. Le débit d'air est alors réparti entre les deux canaux 14a et 14b. Une partie de l'air circule dans le premier conduit 14a débouchant tangentiellement dans la volute 14'a. Le débit d'air complémentaire débouche en direction de la zone centrale de la chambre 14'a. On a représenté les champs de vitesse des écoulements pénétrant dans la volute 14'a à partir du premier et du second canal, sous la forme des courbes 24a et 24b représentant les champs de vitesses de l'écoulement à la sortie des canaux 14a et 14b, respectivement. Le bras de levier moyen ou rayon de giration r' moyen de l'écoulement est sensiblement plus faible que le rayon r représenté sur la figure 4A et présente alors une valeur minimale. Le taux de swirl est alors minimal, cette valeur étant par exemple de l'ordre de 1,5. En revanche, la perméabilité du conduit est alors maximale, une grande partie du débit étant intro duite dans la volute 14'a par le canal 14b de direction sensiblement centrale. Ces conditions qui sont obtenues lorsque l'obturateur 22 est en position ouverte sont adaptées au cas où le moteur fonctionne à haut régime. La commande de l'obturateur pour son déplacement entre sa position fermée et sa position ouverte peut être réalisée par tout moyen de commande associé à un organe de commande de la puissance du moteur. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi que la cloison de séparation du conduit en deux canaux adjacents peut être réalisée sous une forme différente de celle qui a été représentée. Les deux canaux peuvent etre prévus pour obtenir des taux de swirl différents de ceux qui ont été indiqués. L'obturateur du second canal du conduit d'admission peut être réalisé sous une forme quelconque et commandé par des moyens d'un type quelconque. L'invention s'applique de manière générale aux moteurs à allumage par compression à injection directe comportant deux soupapes par cylindre. REVENDICATIONS 1.- Moteur à allumage par compression à injection directe comportant un bloc-cylindres (2) dans lequel est ménagé au moins un cylindre (4), un piston (6) monté mobile dans le cylindre (4) suivant la direction de l'axe (5) du cylindre (4), une culasse (3) superposée au bloccylindres (2) dans laquelle sont ménagés, pour chacun des cylindres, un conduit d'admission (14) et un conduit d'échappement (8) débouchant dans le cylindre (4, 16), une soupape d'admission (18) pour la commande du conduit d'admission (14) et une soupape d'échappement (9) pour la commande du conduit d'échappement (8), à leurs extrémités débouchant dans le cylindre (4, 16), le conduit d'admission (14) formant une volute (14'a) ayant un axe (15) parallèle à l'axe du cylindre (16) à son extrémité débouchant dans le cylindre (16) et un injecteur de carburant dans le cylindre (4, 16), caractérisé par le fait que le conduit d'admission (14) est divisé en deux canaux adjacents (14a, 14b) par une cloison (19) disposée sensiblement suivant l'axe du conduit d'admission (14) et sensiblement parallèle à un plan axial du cylindre (16), s'étendant jusqu'à l'entrée de la volute (14'a) de manière qu'un premier canal (14a) débouche dans une première zone périphérique de la volute (14'a) et qu'un second canal (14b) débouche dans une seconde zone centrale de la volute (14'a) adjacente à la première zone, un organe d'obturation (22) muni de moyens de commande d'ouverture et de fermeture étant disposé sur le second canal (14b), dans une partie du second canal (14b) éloignée de la volute (14'a). 2.- Moteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la cloison (19) présente une forme et une direction telles dans une partie d'extrémité voisine de la volute (14'a) que le premier canal (14a) débouche dans la volute (14'a) dans une direction (20) sensiblement tangentielle par rapport à une paroi délimitant la volute. 3.- Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la forme et la disposition de la cloison à l'intérieur du conduit (14) sont telles que l'écoulement d'air sortant du premier canal (14a), le second canal (14b) étant fermé par l'obturateur (22), présente un taux de vortex supérieur ou égal à quatre et qui peut être voisin de six et que l'écoulement d'air sortant du conduit (14) et provenant du premier canal (14a) et du second canal (14b), lorsque l'obturateur (22) est ouvert présente un taux de vortex de 1 'ordre de 1,5, le taux de vortex représentant le rapport de la vitesse de rotation de l'écoulement d'air formé par le conduit (14), à l'intérieur de la chambre de cylindre (16), à la vitesse de rotation du moteur. 4.- Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la forme et la position à l'intérieur du conduit (14), de la cloison de séparation (19) sont telles que le conduit (14) présente une faible perméabilité au passage de l'air lorsque le second canal (14b) est fermé par l'obturateur (22) et une forte perméabilité au passage de l'air lorsque l'obturateur (22) est en position d'ouverture du second canal (14b). 5.- Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'organe d'obturation (22) est commandé de manière telle qu'il se trouve en position fermée lorsque le moteur est à bas régime et en position ouverte lorsque le moteur est à haut régime.