Brevet FR2792034A1 — publié le 20001013

I La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne à allumage commandé utilisant comme combustible un carburant gazeux tel que le gaz naturel comprimé (GNC) ou liquéfié (GNL) ou le gaz de pétrole liquéfié (GPL). De façon connue, de tels moteurs comprennent au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston selon l'axe du cylindre, une culasse surmontant le cylindre et comprenant au moins une soupape d'admission, l'ensemble délimitant une chambre de combustion. De façon plus spécifique l'invention s'applique à des moteurs du type précité fonctionnant en mélange pauvre c'est-à-dire avec un mélange air/carburant très dilué, pour lesquels la richesse du mélange est par exemple de l'ordre de 0,6. Le fonctionnement de moteurs à des richesses de cet ordre, permet de réduire considérablement les émissions d'oxydes d'azote (NOx) à l'échappement, tout en améliorant le rendement desdits moteurs. Les températures à l'échappement sont également faibles, et la combustion permet un gain en rendement jusqu'à 10% par rapport aux moteurs fonctionnant à la stoechiométrie. Ce gain en consommation est un atout important en faveur des moteurs dits "à mélange pauvre". Les problèmes inhérents à cette technologie concernent essentiellement les instabilités de la combustion dus à une mauvaise initiation ou propagation de la flamme. On est alors en effet en limite inférieure d'inflammabilité du mélange. De ce fait, une augmentation des émissions d'hydrocarbures imbrûlés à l'échappement est constatée. Pour remédier notamment à ces problèmes (connus) d'instabilité de la combustion en mélange dilué, les motoristes portent une attention particulière à la qualité de la combustion, qui doit être rapide et stable. Plus précisément, l'optimisation de l'aérodynamique interne se révèle être une étape importante dans la conception d'un moteur à allumage commandé fonctionnant en mélange dilué. La mise au point de cette aérodynamique dépend de deux phénomènes: l'écoulement induit par les conduits d'admission lors de la phase d'introduction des gaz dans le cylindre et l'interaction de l'écoulement ainsi créé avec la chambre de combustion lors de la compression. Les niveaux de turbulence et de vitesses avant l'allumage doivent notamment être optimisés pour favoriser la stabilité de l'allumage et la propagation de la flamme. Dans le domaine des moteurs à allumage commandé fonctionnant avec un recyclage des gaz d'échappement à l'admission (EGR) il a été proposé de diriger les gaz recyclés dans une zone spécifique d'un conduit d'admission et de la chambre de combustion afin d'y modifier l'aérodynamique interne: la demande de brevet EP 0 719 916 déposée au nom de la demanderesse en est un exemple selon lequel une stratification et un contrôle des différents gaz est prévue quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur. Le problème à l'origine de la présente invention est différent puisque il ne s'agit pas d'avoir une recirculation de gaz d'échappement à l'admission. Comme déjà évoqué ci-avant, le problème que l'invention permet notamment de résoudre est étroitement lié au fonctionnement en mélange pauvre puisqu'il se pose lors de l'initiation de la flamme et/ou lors de sa propagation. Ainsi la présente invention propose de modifier et de renforcer l'aérodynamique de l'admission d'air par une injection spécifique de gaz carburant, afin de créer des conditions favorables à une bonne combustion. L'invention s'applique à différentes aérodynamiques dans la chambre de combustion: de type swirl (mouvement des gaz selon l'axe du cylindre), de type tumble (mouvement des gaz selon un axe perpendiculaire à l'axe du cylindre) ou encore de type pré-swirl avec une rotation des gaz dans le conduit d'admission lui-même. Ainsi la présente invention a pour objet un procédé d'admission d'un mélange carburé dans au moins une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à allumage commandé fonctionnant en mélange pauvre, comprenant une admission d'air via un premier flux associée à une injection de carburant gazeux via un deuxième flux depuis une tubulure d'admission, à travers au moins une soupape d'admission. Selon l'invention, l'injection de carburant gazeux est réalisée juste en amont et à proximité du siège de la soupape, parallèlement au premier flux (d'air) et avec une vitesse largement supérieure à celle de l'air de façon à moduler l'écoulement de l'air au moins dans la chambre de combustion. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, l'injection de gaz est réalisée en périphérie du premier flux (d'air), de façon à ce que l'ensemble des deux flux soit introduit tangentiellement et en périphérie de la chambre de combustion. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'injection de carburant gazeux est réalisée coaxialement à l'injection d'air. Selon une caractéristique de l'invention, le deuxième flux présente, au niveau de son débouché dans le premier flux, sensiblement le même axe que la tubulure d'admission d'air afin d'y renforcer le mouvement de pré-swirl. L'invention concerne en outre un système d'alimentation d'au moins une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à allumage commandé fonctionnant en mélange pauvre, comprenant au moins une première tubulure d'admission destinée à véhiculer un premier flux d'air, au moins une deuxième tubulure destinée à véhiculer un deuxième flux de carburant gazeux et débouchant dans une première tubulure, au moins une soupape d'admission disposée à l'extrémité de l'une desdites première tubulures coté chambre de combustion. En accord avec l'invention, la deuxième tubulure débouche à proximité et juste en amont du siège de ladite soupape, et l'axe de la deuxième tubulure est parallèle à l'axe du premier flux d'air à proximité de la soupape. De façon plus spécifique, la deuxième tubulure débouche en périphérie de la première tubulure de façon à ce que l'ensemble des deux flux soit introduit tangentiellement et en périphérie de la chambre de combustion. Selon l'un des modes de réalisation de l'invention, l'axe de la deuxième tubulure coïncide avec l'axe du premier flux gazeux à proximité de la soupape, de façon à créer un écoulement autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de la chambre de combustion, écoulement dit de type "tumble". Ainsi, le système peut comprendre trois tubulures pour l'admission de l'air associées à trois soupapes d'une même chambre de combustion, les soupapes étant disposées sensiblement dans un même demi-cylindre. Selon ce mode de réalisation de l'invention, une seule deuxième tubulure est prévue et elle débouche dans la première tubulure placée entre les deux autres premières tubulures. Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, deux deuxième tubulures sont prévues, elles débouchent dans les premières tubulures disposées de part et d'autre de la troisième. Sans sortir du cadre de l'invention, trois deuxième tubulures peuvent être prévues, débouchant chacune dans une première tubulure. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, la première tubulure peut présenter un axe sensiblement hélicoïdal en amont de la chambre de combustion. Plus particulièrement, l'axe de la deuxième tubulure au niveau de son débouché dans la première tubulure est proche de l'axe de la première tubulure afin de renforcer le mouvement hélicoïdal des deux gaz à ce niveau. Conformément à une autre possibilité selon l'invention, l'axe de la deuxième tubulure, à proximité de son débouché dans la première tubulure, est orienté de façon à diriger les deux flux mélangés tangentiellement dans le cylindre. Sans sortir du cadre de l'invention, l'axe de la deuxième tubulure, à proximité de son débouché dans la première tubulure, est orienté de façon à diriger le carburant gazeux sensiblement parallèlement au plan de sa soupape. D'autres particularités, détails, avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre 1 0 illustratif et nullement limitatif: - La figure 1 est une coupe de côté d'un premier mode de réalisation de l'invention, avec une admission de type "pré-swirl"; - La figure 2 est une vue de dessus simplifiée du mode de réalisation de la figure 1; - La figure 3 est une vue de côté d'un deuxième mode de réalisation de l'invention, avec une admission du type "swirl tangentiel"; - La figure 4 est une vue de dessus simplifiée du mode de réalisation selon la figure 3; - La figure 5 est une vue de face de deux tubulures d'admission selon un mode de réalisation dit "tumble"; - La figure 6 est une vue de côté du mode de réalisation selon la figure 5; La figure 7 est un ensemble de courbes donnant le taux de tumble en fonction de l'angle vilebrequin selon l'art antérieur, et selon l'invention. Les figures I et 2 concernent donc un mode de réalisation de type pré- swirl réalisé dans une tubulure d'admission hélicoïdale 1. La forme hélicoïdale de la tubulure 1 est davantage visible sur la figure 2; cette tubulure véhicule préférentiellement de l'air vers la chambre de combustion 2. Un moyen d'obturation sélective 3 telle qu'une soupape est placé au débouché de la tubulure 1 dans la chambre 2. Un plan dit "de soupape" P définit la limite entre 1 et2. Conformément à l'invention, une tubulure d'alimentation en gaz carburant 4 débouche dans la tubulure 1 au-dessus du plan P et du siège de la soupape 3, au niveau de la volute ou chapelle d'admission 5 (zone du conduit qui entoure la soupape). Préférentiellement, la tubulure 4 débouche tangentiellement dans la chapelle 5 de façon à renforcer l'écoulement tourbillonnant de l'air à ce niveau. Par ailleurs la tubulure 4 est inclinée par rapport au plan P de la soupape 3, selon un angle proche de celui de l'axe de la tubulure principale 1. Autrement dit, au niveau de la chapelle 5, les écoulements provenant respectivement de la première tubulure 1 et de la deuxième tubulure 4 ont le même sens et la même orientation. La tubulure 4 présente avantageusement un diamètre inférieur à celui de la tubulure 1, et les vitesses d'écoulement y sont bien supérieures. A titre illustratif les vitesses du carburant sont compris entre m/s et 300m/s; celles de l'air sont comprises entre 50 et 150 m/s. Ainsi l'écoulement issu de la deuxième tubulure 4 peut favoriser et renforcer l'écoulement de l'air dans la première tubulure 1. Le mélange ainsi formé dans la chapelle 5 va donc être introduit dans la chambre de combustion 2 avec un fort mouvement tourbillonnant (fort pré-swirl) ce qui va induire un tourbillonnement (swirl) stable et fiable dans la chambre de combustion 2elle- même. On renforce ainsi le niveau de "pré-swirl" dans la tubulure, d'admission 1 elle-même. Le mode de réalisation de l'invention illustré par les figures 3 et 4 diffère de celui qui vient d'être décrit par l'orientation de la première tubulure d'admission 1 en amont de la chambre de combustion 2. Ici la tubulure 1 est dite tangentielle car elle arrive sensiblement tangentiellement au cylindre. Bien entendu, la tubulure 4 débouche comme dans le premier mode de réalisation de l'invention, au niveau de la chapelle 5. Là, le flux issu de la tubulure 1 est parallèle au flux de la tubulure 4. Comme il apparaît clairement sur la figure 4, la tubulure 4 débouche avantageusement en périphérie de la tubulure 1, et en périphérie de la chambre de combustion 2. De plus l'axe de la tubulure 4 est orienté de façon à diriger le flux de gaz vers le cylindre, selon une tangente à celui-ci. Cette disposition renforce l'effet du flux d'air issu de la tubulure 1, dans cette direction à l'intérieur de la chambre de combustion. La double flèche A de la figure 4 montre le flux dominant. Ainsi on augmente ici l'effet de jet de la tubulure 1 dite tangentielle. Les figures 5 et 6 montrent un mode de réalisation de l'invention appliqué à un moteur de type "tumble". Le renforcement du mouvement des gaz dit de "tumble" à l'intérieur de la chambre de combustion est réalisé grâce à au moins une tubulure 4 orientée et débouchant de la même façon dans la chambre de combustion, c'est-à-dire avec un faible angle par rapport au plan P des soupapes. Les tubulures 1 présentent un large coude en amont du piquage des tubulures 4 de façon à créer un écoulement parallèle à celui des tubulures 4. Comme dans les modes de réalisation décrits précédemment, chaque tubulure 4 débouche dans la tubulure d'admission I associée, au-dessus du siège de la soupape c'est-à-dire dans la chapelle d'admission 5. Cette disposition permet de décoller le flux d'air dans la zone o débouche la tubulure 4 et en aval, ce qui favorise l'écoulement et la vitesse de l'air dans la partie supérieure de la chapelle d'admission 5 et renforce le mouvement de tumble dans la chambre de combustion 2. L'orientation de chaque tubulure 4 permet de diriger le gaz carburant vers le cylindre, de préférence en évitant la queue de la soupape associée 3. Ce mode de réalisation de l'invention est généralement utilisé dans les moteurs ayant deux ou trois soupapes d'admission par cylindre. La présente invention couvre différentes dispositions relatives au mode de réalisation dit de "tumble": il est possible d'avoir trois conduits 1 dits "premiers conduits" disposés symétriquement et approximativement contenus dans un même demi-cylindre. Partant de là, il est possibles de prévoir un, deux ou trois conduits d'admission de gaz carburant. Si un seul conduit est prévu il débouchera dans le premier conduit disposé entre les deux autres. Si deux conduits sont envisagés, ils déboucheront respectivement dans les conduits 1 située en périphérie. Enfin, si trois conduits sont prévus, chacun débouchera dans un conduit 1 de la façon indiquée ci-avant. Dans tous les cas, il s'agit de créer dans la chambre de combustion une aérodynamique dite de tumble c'est-à-dire une rotation des gaz autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de la chambre de combustion, c'est-à- dire autour d'un axe parallèle à l'axe vilebrequin. L'injection de gaz carburant telle que décrite ci-dessus vise à renforcer le niveau de "tumble" en modifiant le flux dès la volute d'admission 5. Avantageusement, la commande de la pression d'injection du gaz carburant peut être réalisée via la pression initiale d'alimentation du système de dosage et/ou le diamètre de la tubulure 4. Par ailleurs, la présente invention prévoit une commande du phasage de l'injection de gaz dans le cycle moteur et préférentiellement dans la phase d'admission du cycle 4 temps.. L'ensemble de ces commandes permet de gérer et de moduler l'effet de la ou des tubulures 4, c'est-à-dire l'aérodynamique interne dans chaque chambre de combustion 2. La figure 7 montre précisément l'effet de l'invention vis-à-vis de l'art antérieur, dans le cas du mode de réalisation dit de "tumble", décrit en relation avec les figures 5 et 6. Les deux courbes montrent le taux de tumble (T) en fonction de l'angle vilebrequin 3 (en degrés vilebrequin). La courbe en traits pleins indique le niveau de tumble selon l'art antérieur, c'est-à-dire sans tubulure 4 raccordée aux tubulures 1; la courbe en pointillés a été obtenue conformément à l'invention. It Sur à peu près toute une course du piston, on voit que le taux de tumble selon l'invention est supérieur à celui de l'art antérieur. Cet effet est davantage marqué aux environs de -270 V et au-delà. Le gain est alors de presque 50 %, ce qui est considérable. L'aérodynamique est par conséquent largement optimisé selon l'invention de sorte qu'une combustion plus stable et une meilleure initiation et propagation de la flamme sont obtenues. REVENDICATIONS 1) Procédé d'admission d'un mélange carburé dans au moins une chambre de combustion (2) d'un moteur à combustion interne à allumage commandé fonctionnant en mélange pauvre, comprenant au moins une admission d'air via un premier flux associée à une injection de carburant gazeux via un deuxième flux depuis une tubulure d'admission (1), à travers au moins une soupape d'admission (3), caractérisé en ce que l'injection de carburant gazeux est réalisée juste en amont et à proximité (5) du siège de la soupape (3), parallèlement au premier flux (d'air) et avec une vitesse largement supérieure à celle de l'air de façon à moduler l'écoulement de l'air au moins dans la chambre de combustion (2). 2) Procédé d'admission selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injection de gaz est réalisée en périphérie du premier flux (d'air), de façon à ce que l'ensemble des deux flux soit introduit tangentiellement et en périphérie de la chambre de combustion (2). 3) Procédé d'admission selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injection de carburant gazeux est réalisée coaxialement à l'injection d'air. 4) Procédé d'admission selon la revendication 2, caractérisé en ce que le deuxième flux présente, au niveau de son débouché dans le premier flux, sensiblement le même axe que la tubulure d'admission d'air afin d'y renforcer le mouvement de pré-swirl. ) Système d'alimentation d'au moins une chambre de combustion (2) d'un moteur à combustion interne à allumage commandé fonctionnant en mélange pauvre, comprenant au moins une première tubulure d'admission (1) destinée à véhiculer un premier flux d'air, au moins une deuxième tubulure (4) destinée à véhiculer un deuxième flux de carburant gazeux et débouchant dans une première tubulure (1), au moins une soupape d'admission (3) disposée à l'extrémité de l'une desdites première tubulure (1) coté chambre de combustion (2), caractérisé en ce que la deuxième tubulure (4) débouche à proximité et juste en amont (5) du siège de ladite soupape (3), et en ce que l'axe de la deuxième tubulure (4) est parallèle à l'axe du premier flux d'air à proximité de la soupape (3). 6) Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que la deuxième tubulure (4) débouche en périphérie de la première tubulure (1) de façon à ce que l'ensemble des deux flux soit introduit tangentiellement et en périphérie de la chambre de combustion (2). 7) Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'axe de la deuxième tubulure (4) coïncide avec l'axe du premier flux gazeux à proximité de la soupape (3), de façon à créer un écoulement autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de la chambre de combustion, écoulement dit de type "tumble". 8) Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend trois premières tubulures d'admission (1) débouchant sensiblement dans le même demi-cylindre. 9) Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième tubulure (4) qui débouche dans la première tubulure (1) placée entre les deux autres premières tubulures. ) Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend deux deuxième tubulures (4) qui débouchent dans les premières tubulures situées de part et d'autre de la troisième. 11) Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend trois deuxième tubulures (4) chacune débouchant dans une première tubulure (1). 12) Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux premières tubulures (1) débouchant dans le même demi-cylindre. 13) Système d'admission selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la première tubulure présente un axe sensiblement hélicoïdal en amont de la chambre de combustion. 14) Système d'admission selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'axe de la deuxième tubulure (4) au niveau de son débouché (5) dans la première tubulure (1) est proche de l'axe de la première tubulure (1) afin de renforcer le mouvement hélicoïdal des deux gaz à ce niveau (5). ) Système d'admission selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'axe de la deuxième tubulure (4), à proximité de son débouché dans la première tubulure (1) est orienté de façon à diriger les deux flux mélangés tangentiellement dans le cylindre. 16) Système d'admission selon l'une quelconque des revendications 6 ou 8, caractérisé en ce que l'axe de la deuxième tubulure (4), à proximité de son débouché dans la première tubulure (1), est orienté de façon à diriger le carburant gazeux sensiblement parallèlement au plan de sa soupape (3).