Brevet FR2776710A1 — publié le 19991001

- 1 - MOTEUR A QUATRE TEMPS COMPORTANT UN ORGANE SEPARATEUR SUR LA CANALISATION D'ADMISSION La présente invention concerne un moteur à combustion interne, à essence ou au gaz, fonctionnant selon un cycle à quatre temps. Elle concerne plus particulièrement un moteur de ce type à fonctionnement en charge partielle amélioré. La recherche d'amélioration des moteurs à combustion interne, en particulier fonctionnant sur un cycle à quatre temps, est constamment à l'ordre du jour avec comme objectifs principaux de diminuer la consommation de carburant et de diminuer la pollution des gaz d'échappement. Le but que s'est fixé le demandeur est d'améliorer le fonctionnement en charge partielle des moteurs à combustion interne, à essence ou à gaz, fonctionnant sur un cycle à quatre temps, à l'exception des moteurs diesel. Ce but est parfaitement atteint par le moteur de l'invention, dont, de i 5 manière connue la culasse comprend pour chaque cylindre une chambre de combustion, un conduit d'admission et une soupape d'admission et qui comporte une tubulure d'admission raccordée sur le conduit d'admission et munie d'un papillon de réglage du débit. De manière caractéristique, selon l'invention, le moteur comporte également un organe séparateur, placé dans le conduit et/ou la tubulure d'admission entre la soupape et le papillon, ledit organe étant conformé en sorte de limiter le mélange des gaz de combustion et des gaz frais dans le conduit et la tubulure d'admission en fin du cycle d'échappement. L'utilité de la présence de l'organe séparateur, caractéristique de l'invention, résulte des constatations suivantes faites par le demandeur sur les moteurs actuels, en fonctionnement en charge partielle. Au point mort haut, en fin de cycle d'échappement, les soupapes d'échappement et d'admission étant fermées, la chambre de combustion est 2 - remplie de gaz brûlés résiduels à haute température à la pression atmosphérique, tandis que la canalisation d'admission (qui comprend le conduit d'admission formé dans la culasse et la tubulure d'admission jusqu'au papillon de réglage de débit) contient des gaz frais en dépression, le papillon étant fermé partiellement. Lors du cycle d'admission, la soupape d'admission s'ouvre et le piston descend, ce qui crée dans le cylindre une dépression entraînant l'admission des gaz frais (ou mélange carburé) dans le cylindre, par aspiration. Cependant, le demandeur a constaté qu'au tout début du cycle d'admission, dès que la soupape d'admission s'est ouverte, une partie des gaz brûlés, qui étaient dans la chambre de combustion, pénètre dans la canalisation d'admission et se mélange avec les gaz frais. Ce mélange se fait de manière hétérogène dans la canalisation d'admission de telle sorte que, lorsque se produit l'aspiration, une partie des gaz brûlés peut rester dans la canalisation d'admission. Ainsi, selon le demandeur, la quantité de gaz brûlés qui retourne dans la chambre de combustion n'est pas une quantité fixe mais elle peut varier à chaque cycle en fonction de la manière dont se forme le mélange des gaz brûlés et des gaz frais dans la canalisation d'admission. Or cette quantité de gaz brûlés réadmis dans la chambre de combustion est un paramètre important dans le fonctionnement du moteur. En effet cette quantité va influer sur la température du mélange gazeux dans la chambre de combustion, du fait que les gaz brûlés sont à haute température tandis que les gaz frais sont à basse température. Ainsi plus la quantité de gaz brûlés réadmis est importante, et plus la température du mélange gazeux est élevée. Inversement, plus la quantité de gaz brûlés réadmis est faible et plus la température du mélange gazeux est faible. Or on sait qu'un mélange gazeux froid demande un réglage en carburant riche alors qu'un mélange gazeux chaud demande un réglage en carburant plus pauvre. Du fait que le réglage du moteur ne peut varier d'un cycle à l'autre, le demandeur a donc constaté que, en charge partielle, la carburation du moteur varie constamment, étant soit trop riche soit trop pauvre en fonction de la quantité de gaz brûlés réadmis dans la chambre 3 - de combustion. Ceci constitue non seulement une source de gaspillage de carburant mais également une source de pollution avec dégagement d'oxyde de carbone en cas de carburation avec un réglage de carburant trop riche et d'oxyde d'azote dans le cas inverse et dans tous les cas présence d'hydrocarbures imbrûlés. A ceci s'ajoute une proportion de gaz carbonique qui est dans le rapport de la consommation du carburant. Par ailleurs, du fait que la quantité de gaz frais admis dans la chambre de combustion, lors de l'aspiration, varie de la même manière à chaque cycle, cette variation provoque également une irrégularité de fonctionnement qui est 1 0 particulièrement perceptible au ralenti. L'organe séparateur, caractéristique de l'invention, a pour fonction de limiter le mélange des gaz brûlés de combustion et des gaz frais dans la canalisation d'admission, avant l'aspiration proprement dite. Cette limitation du mélange a pour effet de diminuer corrélativement les variations qui ont été 1 5 constatées concernant la quantité de gaz brûlés réadmis dans la chambre de combustion et donc de rendre plus constante la température du mélange gazeux dans la chambre de combustion et plus homogènes les conditions de fonctionnement du moteur. De préférence, l'organe séparateur est placé dans le conduit d'admission de la culasse au plus près de la soupape d'admission. Selon une variante préférée de réalisation, l'organe séparateur est conformé pour cloisonner la section transversale du conduit ou de la tubulure d'admission en sorte de diviser cette section en une pluralité de canalisations individuelles sur une longueur déterminée. Ce cloisonnement n'empêche bien sûr pas le passage naturel des gaz frais, lors de l'aspiration. Il permettrait, selon l'hypothèse qu'en fait le demandeur, de limiter le caractère anarchique du mélange lorsque la canalisation a une section plus importante en créant un front plus uniforme pour les gaz brûlés provenant de la chambre de combustion. Dans un mode de réalisation également préféré, l'organe séparateur est - 4 - une pièce flexible qui peut être comprimée lors de son introduction dans le conduit ou la tubulure d'admission et qui se déploie, contre la paroi interne du conduit ou de ladite tubulure lorsqu'il est relâché. Grâce à cette disposition particulière, l'introduction et le retrait de l'organe séparateur sont particulièrement aisés, en particulier dans le conduit d'admission formé dans la culasse, ne nécessitant aucun moyen de fixation particulier. De très bons résultats ont été obtenus, pour un conduit ou une tubulure d'admission faisant de l'ordre de 30 mm en section transversale avec un organe séparateur divisant ladite section en dix à vingt canalisations individuelles. Ce résultat a été obtenu avec un organe séparateur dont la longueur est de l'ordre de 60 mm. S'agissant d'un organe séparateur du type flexible, il peut notamment s'agir d'une pièce réalisée par des pliages longitudinaux successifs en forme d'ondulations. 1 5 La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va être faite d'un exemple préféré de réalisation d'un moteur à combustion interne, à essence, comportant un organe séparateur, en tôle pliée, placé dans le conduit d'admission de la culasse, illustré par le dessin annexé dans lequel: Les figures 1, 2 et 3 montrent, de manière schématique, la formation du mélange des gaz brûlés et des gaz frais dans la canalisation d'admission en fin d'échappement, le piston étant en position haute et la soupape d'admission étant fermée (figure 1), le piston amorçant sa descente et la soupape d'admission étant ouverte (figure 2) et le piston étant descendu et la soupape d'admission étant ouverte (figure 3), dans un moteur conventionnel, Les figures 4, 5 et 6 montrent le même moteur qu'aux figures 1, 2, 3 avec un organe séparateur placé sur la canalisation d'admission, La figure 7 est une vue en perspective de la tôle pliée destinée à constituer l'organe séparateur, La figure 8 est une vue schématique du conduit d'admission formé dans la culasse -5 - équipé de l'organe séparateur et, La figure 9 est une vue schématique en coupe selon l'axe IX,IX de la figure 8. On a très schématiquement représenté sur les figures 1 à 6 les partie d'un moteur à combustion interne qui sont utiles à la compréhension de l'invention, à savoir la chambre de combustion 1, la canalisation d'admission 2, la canalisation d'échappement 3, le cylindre 4, le piston 5, les soupapes d'admission 6 et d'échappement 7 et le papillon 8 de réglage de débit. L'ensemble de ces organes est bien connu et ne sera pas outre mesure décrit. La canalisation d'admission 2 est constituée, en pratique, par la juxtaposition d'une part du conduit d'admission 12 formé dans la culasse 10 et de la tubulure d'admission 15 qui prolonge ledit conduit 12 jusqu'au carburateur. Le moteur dont il est question est un moteur à combustion interne à essence (ou éventuellement à gaz) fonctionnant sur la base d'un cycle à quatre 1 5 temps. Sur la figure 1 sont représentées les différentes parties précitées, en fin du cycle d'échappement, le piston 5 étant dans le cylindre 4, au point mort haut, la chambre de combustion 1 est remplie de gaz brûlés résiduels, à haute température, qui sont à la pression atmosphérique. La canalisation d'admission 2 contient des gaz frais qui proviennent du carburateur. Ces gaz sont en légère dépression, le papillon 8 de réglage de débit étant partiellement fermé. Tout au début du cycle d'admission, la soupape d'admission 6 s'ouvre et le piston 5 commence à descendre dans le cylindre 4. La chambre de combustion 1 est donc mise en communication avec la canalisation d'admission 2. Compte tenu de la légère dépression existant dans la canalisation 2 et également de la différence de température, selon le demandeur, une partie des gaz brûlés contenus dans la chambre 1 pénètrent dans la canalisation d'admission 2 et se mélangent avec les gaz frais. Ce mélange se réalise de manière tout-à-fait hétérogène, sans contrôle. 6 - Lorsque le piston 5 continue à descendre pendant le cycle d'admission, il se crée à l'intérieur du cylindre 4 une dépression de sorte que les gaz contenus dans la canalisation 2 tendent à remplir le volume disponible 4' du cylindre 4, par aspiration, jusqu'à la fin du cycle d'admission et la fermeture de la soupape d'admission 6. Lorsque cette soupape d'admission 6 est de nouveau fermée, la canalisation 2 renferme, entre ladite soupape 6 et le papillon 8, un mélange à la fois de gaz frais et de gaz brûlés, ce mélange n'étant pas constant dans le temps mais pouvant varier d'un cycle à l'autre du fait du caractère anarchique et non contrôlé du mélange de gaz brûlés et de gaz frais initiés immédiatement après l'ouverture de la soupape d'admission 6. Selon l'invention, on dispose dans la canalisation d'admission 2 un organe séparateur 9, dont la fonction est de limiter le mélange entre les gaz brûlés provenant de la chambre de combustion 1 et les gaz frais contenus dans la canalisation d'admission 2, en sorte que ce mélange soit plus constant dans le 1 5 temps, à chaque cycle de fonctionnement o il intervient. Cet organe séparateur ne doit bien sûr pas perturber le déplacement du mélange gazeux dans la canalisation d'admission 2. Il doit essentiellement rendre plus homogène le front de déplacement des gaz brûlés résiduels provenant de la chambre de combustion 1 après l'ouverture de la soupape d'admission 6, de manière à ce que lors de la mise en dépression du cylindre 4, c'est d'abord les gaz brûlés contenus dans la canalisation d'admission 2 qui seront aspirés et non les gaz frais. Ce résultat est atteint par un organe séparateur 9 qui cloisonne la section transversale de la canalisation d'admission 2 en la divisant en une pluralité de canalisations individuelles. Dans un exemple préféré de réalisation, cet organe séparateur 9 est réalisé à partir d'une tôle métallique 11 qui est pliée, conformément à la représentation de la figure 7, en plis successifs alternés de manière à créer une forme ondulée. Dans l'exemple illustré, il s'agissait d'une tôle d'acier doux, -7 - d'épaisseur 0,2 mm, avec des ondulations formées par quatorze plis successifs et alternés de rayon de courbure faisant de l'ordre de 2,5 mm. La hauteur h des ondulations était de l'ordre de 12 mm et la longueur L de la tôle était de 60 mm environ. Pour son introduction dans la canalisation d'admission 2, en particulier dans le conduit d'admission 12 (figure 8) formée dans la culasse 10, la tôle ondulée 11 est repliée sur elle-même de telle sorte que ses deux bords longitudinaux 11a, 1 lb viennent en contact l'un contre l'autre. Les bords transversaux lld et le sont de préférence à profils biseautés symétriques de manière à diminuer la perte de charge dans le conduit 12 occasionnée par la présence de l'organe séparateur. Dans cet état, la tôle 11 est comprimée de manière à pouvoir être introduite dans le conduit d'admission 12, ses dimensions étant calculées de manière à ce que à l'état comprimé son encombrement soit inférieur à celui du conduit d'admission 12. Une fois relâchée, la tôle 11 se met 1 5 en place avec les sommets 1 lc des plis extérieurs qui sont en contact avec la paroi 12a interne du conduit 12. La section transversale du conduit 12 est divisée en canalisations individuelles 13, comme représenté à la figure 9. Dans ce mode de réalisation, on peut donc considérer qu'il y avait seize canalisations individuelles 13 entre les différents plis de la tôle 11, y compris une canalisation centrale. La faible section de chaque canalisation individuelle donne le résultat escompté à savoir que la propagation des gaz brûlés à travers l'organe séparateur 9 se fait suivant un front 14 beaucoup plus homogène de sorte que le mélange entre les gaz brûlés et les gaz frais est réalisé dans un volume beaucoup plus réduit, symbolisé sur la figure 5 par l'intervalle entre les deux lignes transversales 14, 14'. Ainsi lors du cycle d'aspiration proprement dit il y a un déplacement sensiblement uniforme des gaz contenus dans la canalisation 2 et donc aspiration tout d'abord des gaz brûlés, ensuite du mélange gaz brûlés et gaz frais et enfin des gaz frais. - 8 - La mise en oeuvre de l'organe séparateur 9 permet donc d'obtenir l'admission, de manière quasi constante, de la même quantité de gaz brûlés et la même quantité de gaz frais à chaque cycle d'admission. Ceci permet de réaliser, de manière optimale, le réglage de carburation et limite en conséquence la pollution. A titre expérimental, on a monté quatre organes séparateurs 9, conformes au mode de réalisation préféré qui vient d'être décrit, sur le moteur d'une voiture Renault 21 NEVADA quatre cylindres 1721 cm3 TL équipé d'un carburateur double corps et utilisant comme carburant du super sans plomb 95. La carburation a été appauvrie pour le ralenti et le premier corps du carburateur et enrichie pour le second corps. Grâce aux organes séparateurs de l'invention, il a été possible de descendre la vitesse du ralenti de 700 à 500 t/mn, sans gêne particulière, entraînant de ce fait une diminution de la consommation de carburant au ralenti supérieure à 30%. i 5 Des essais de consommation en grandeur réelle, avec une vitesse plafonnée à 90 km/h, ont permis de constater un gain de carburant de l'ordre de %. Indépendamment de cette consommation et de la réduction de la pollution, il a été constaté que le moteur est plus souple et que les reprises à faible charge peuvent s'effectuer à des vitesses plus réduites, par exemple 40 km/h en quatrième au lieu des 60 km/h habituels. Un changement moins fréquent de vitesses en ville permet également de limiter la pollution. Ces avantages ont été également constatés sur des moteurs fonctionnant au gaz naturel et au gaz de pétrole liquifié (GPL). De plus il apparaît à l'usage un gain important pour l'entretien du véhicule, dû à une réduction très significative des encrassements constatés habituellement, à savoir encrassement des bougies, des soupapes, des conduits d'admission et d'échappement, des segments, des chambres de combustion et de l'huile moteur. Cette réduction des encrassements serait due au fait que l'organe 9 - séparateur de l'invention permet d'éviter des réglages en carburant riches. La présente invention n'est pas limitée au mode préféré de réalisation qui a été décrit ci-dessus. Le cloisonnement de la section transversale de la canalisation d'admission peut être réalisé par un organe séparateur ayant d'autres structures et configurations que celles décrites. Il peut notamment présenter, en section transversale, une configuration du type grille à mailles carrées ou autres formes géométriques; l'organe séparateur peut se présenter comme un faisceau de tubes accolés les uns aux autres... Il peut être réalisé en d'autres matières que l'acier doux, par exemple en aluminium, en acier inoxydable, en matière i 0 plastique... -10- REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne, à essence ou au gaz, fonctionnant selon un cycle à quatre temps dont la culasse comprend pour chaque cylindre une chambre de combustion (1), un conduit d'admission (12) et une soupape d'admission (6) et qui comporte une tubulure d'admission (15) raccordée sur le conduit d'admission (12) et munie d'un papillon (8) de réglage du débit, caractérisé en ce qu'il comporte également un organe séparateur (9), placé dans le conduit (12) et/ou la tubulure d'admission (15) entre la soupape (6) et le papillon (8), ledit organe (9) étant conformé en sorte de limiter le mélange des gaz de combustion et des gaz frais dans le conduit et la tubulure d'admission en fin du cycle d'échappement. 2. Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'organe séparateur (9) est placé dans le conduit d'admission (12) de la culasse (10) au plus près de la soupape d'admission (6). 3. Moteur selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'organe 1 5 séparateur (9) est conformé pour cloisonner la section transversale du conduit (12) ou de la tubulure (15) d'admission en sorte de diviser cette section en une pluralité de canalisations individuelles (13) sur une longueur déterminée L 4. Moteur selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'organe séparateur est une pièce flexible (11) qui peut être comprimée lors de son introduction dans le conduit (12) ou la tubulure (15) d'admission et qui se déploie, contre la paroi interne (12_a) du conduit (12) ou de ladite tubulure lorsqu'il est relâché. 5. Moteur selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que le conduit (12) ou la tubulure (15) d'admission faisant de l'ordre de 30 mm en section transversale, l'organe séparateur (9) divise ladite section en dix à vingt canalisations individuelles (13). 6. Moteur selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que l'organe séparateur a une longueur (L) de l'ordre de 60 mm. 7. Moteur selon l'une des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que l'organe -11 - séparateur est réalisé par des pliages longitudinaux successifs en forme d'ondulations d'une pièce flexible.