Brevet FR2822500A1 — publié le 20020927

Position du problème et état de l'art : Les moteurs thermiques à pistons sont toujours munis de dispositifs d'admission d'air comprenant : - Pour les moteurs à essence : un filtre à air, un ou deux papillons d'admission (l'un commandé par le conducteur via l'accélérateur, l'autre piloté par le calculateur d'injection pour le ralenti), et un collecteur d'admission qui répartit le flux d'air vers les entrées d'air de la culasse. N. B : sur certains moteurs de haute performance, il y a un papillon par cylindre. - Pour les moteurs diesel : un filtre à air et un collecteur d'admission (il n'y a pas de papillon). Le collecteur d'admission est constitué en général d'une partie commune dans laquelle le flux d'air en provenance de l'extérieur est admis, sur laquelle viennent se raccorder des pipes d'admission en forme de tuyaux raccordées chacune sur une des entrées d'air de la culasse (une par cylindre). La forme du collecteur d'admission conditionne assez largement les performances du moteur, et cela d'autant plus que les moteurs tournent à des régimes élevés, et qu'ils ont un nombre de soupapes important, ce qui est la tendance actuelle En effet, des phénomènes acoustiques, que l'on peut caractériser de manière simplifiée par la mise en place d'ondes de pression stationnaires dans les pipes d'admission, font que la quantité d'air aspirée par le piston dans la phase d'admission du cycle du cylindre n'est pas strictement égale au volume balayé par le piston. A certains régimes du moteur, un effet de surpression au niveau de la soupape d'admission vient forcer le cylindre à mieux se remplir. Au contraire, à d'autres régimes, un effet de dépression à ce niveau entraîne un mauvais remplissage. Or le couple donné par le moteur est directement proportionnel à la quantité d'air admise dans les cylindres. Cette loi est due au fait qu'on peut ajouter à la quantité d'air admise une quantité proportionnelle de carburant pour obtenir un mélange dit"stoechiométrique", et que l'énergie dégagée dans l'explosion est directement liée à la masse de mélange admise à chaque cycle. Pour un moteur donné et une position donnée du papillon d'admission, si l'on trace la courbe caractérisant le remplissage en air des cylindres en fonction du régime, on constate qu'elle a l'allure d'une cloche, passant par un maximum pour un régime moteur particulier. Ce régime correspond au régime d'accord acoustique du dispositif d'admission. Si l'on raisonne sur l'hypothèse où le conducteur met"plein gaz"en enfonçant l'accélérateur à fond pour disposer de la puissance maximale du moteur (et dans ce cas un moteur à essence fonctionne comme un moteur diesel, sans restriction sur l'admission), la courbe représentant le couple en fonction du régime présente un aspect en cloche, avec un maximum sur le régime dit "régime de couple maxima !" L'allure de cette courbe de couple est très voisine de celle de la courbe de remplissage les différences peuvent en effet venir des caractéristiques de l'échappement qui dépendent également de phénomènes de ZD résonance acoustique La longueur et la section des pipes d'admission conditionnent directement le régime de couple maximal Des pipes longues et fines donnent un régime de couple ,. > ZD c maximal bas (par exemple 3000 t/mn). Des pipes courtes et de section élevée donnent un régime de couple maximal haut (par exemple 5000 t/mn). Un moteur donnant son couple maximal à bas régime sera souple et agréable en conduite normale, mais manquera de puissance à haut régime c'est typiquement le cas des véhicules de tourisme habituels A l'inverse, un moteur donnant son couple maximal à haut régime sera performant à haut régime (puissance), mais manquera de couple à bas régime, obligeant son conducteur à jouer de la boite de vitesse pour obtenir de bonnes performances de son véhicule c'est typiquement le cas des moteurs préparés pour la compétition ou (dans une moindre mesure) de véhicules commerciaux auxquels on veut donner une tendance sportive Le compromis effectué sur les pipes d'admission (forme, longueur, section) est donc déterminant pour donner un caractère au véhicule L'idéal serait évidemment de disposer d'un remplissage des cylindres constant sur une large plage de régime, afin de disposer d'un couple constant et d'avoir un moteur à la fois souple et puissant. Une solution, mise en place sur certains véhicules commercialisés, consiste à munir le moteur d'un turbo compresseur actionné par les gaz d'échappement et muni d'une soupape pilotée électriquement afin de réguler la pression d'admission en amont du collecteur pour avoir un remplissage constant des cylindres. C'est effectivement une solution performante, mais chère. Une autre solution, qui a fait l'objet de brevets et a été commercialisée, consiste à munir le moteur d'un dispositif d'admission spécial constitué d'un collecteur d'admission qui comprend deux jeux distincts de pipes : pipes longues et fines, utilisées à bas régime, pipes courtes et de section plus importantes pour les hauts régimes. Un volet mobile ou autre dispositif de commutation aérodynamique, commandé par le calculateur d'injection, permet de faire passer l'air par l'un ou l'autre des jeux de pipes. Des brevets ont été pris sur des améliorations de cette solution consistant à faire varier de manière continue la longueur du trajet suivi par l'air d'admission, grâce à des dispositifs de type"boisseau tournant"Ces dispositifs sont cependant relativement chers et délicats à mettre au point Le dispositif proposé dans la présente invention vise au même but que celui qui est recherché dans les solutions décrites ci-dessus (turbocompresseur piloté ou changement dynamique de la longueur du trajet de l'air admis), mais avec plus de simplicité et au moindre coût. Il permet par exemple d'avoir un moteur donnant une puissance importante à haut régime, tout en donnant un fort couple à bas et moyen régime, autorisant le conducteur à adapter un style de conduite souple ou au contraire à rechercher la performance sans ressentir de faiblesse du moteur dans l'un ou l'autre style Il permet d'équiper les moteurs d'une culasse moderne à quatre soupapes par cylindre en évitant l'inconvénient de ce type de montage qui est de donner une courbe de couple relativement pointue. Il est ainsi possible d'atteindre des performances globales plus importantes à cylindrée égale, et de diminuer les consommations de carburant grâce à l'augmentation du rendement du moteur. Description du dispositif objet de l'invention. La figure 1 représente, en coupe, un moteur à un ou plusieurs cylindres en ligne. On y trouve un cylindre (1), son piston (2), une soupape d'admission (3) et une soupape d'échappement (4). A gauche de la culasse est représenté en coupe le dispositif objet de l'invention La figure 2 représente en perspective le même dispositif avec un éclaté en montrant l'intérieur. Dans cette variante de réalisation, le dispositif se compose de deux cylindres coaxiaux, réalisés dans un matériau quelconque (alliage d'aluminium, plastique) Le diamètre extérieur du plus grand des cylindres (8) est conditionné par l'espace disponible au droit du côté admission de la culasse, soit par exemple 210 mm. Le diamètre intérieur du plus petit des cylindres (9) est conditionné par la recherche de la réduction des pertes de charges pour l'air qui y circule, soit par exemple 80 mm. Les diamètres intérieurs correspondants sont conditionnés par la résistance nécessaire des cylindres (8,9), soit par exemple 5 mm. La longueur totale du dispositif, mesurée suivant l'axe des cylindres (8,9), pourrait être approximativement égale à la longueur de la culasse du moteur, soit par exemple 400 mm. A une des extrémités de l'assemblage se trouve une plaque de fermeture circulaire (10). A l'autre extrémité se trouve également une plaque de fermeture (11), munie en son centre d'un passage d'air et sur laquelle viennent se raccorder les éléments externes au dispositifs chargés de contrôler l'arrivée d'air - Papillon d'accélérateur (moteur à essence) - Papillon de ralenti (moteur à essence) - Tubulure d'admission provenant du filtre à air (moteur diésel) Entre les cylindres (8, 9) se trouve donc une cavité de forme annulaire (5) dans lequelle l'air peut circuler librement. L'air admis de l'extérieur au travers de l'ouverture de la plaque (11) circule axialement (6) à l'intérieur du petit cylindre (9). Il peut traverser ce cylindre radialement par une série d'ouvertures (12) pour passer dans la chambre annulaire (5) située entre les deux cylindres qui (avec les dimensions de l'exemple ci-dessus) mesurera 60 mm sur le rayon sur 390 mm de longueur axiale. Ces ouvertures (12) sont munies de déflecteurs (14) forçant le flux d'air à entrer en rotation (dans le sens des aiguilles d'une montre sur la figure 1). Sur le grand cylindre (8) sont ménagées des ouvertures permettant de raccorder des pipes d'admission (7), soit une par cylindre. Ces pipes d'admission se raccordent de manière tangentielle de telle sorte que la génératrice la plus haute (sur la figure 1) soit approximativement tangente à l'intérieur du grand cylindre. La ligne de raccordement entre la pipe d'admission et le cylindre est munie d'un congé (13) destiné à limiter la turbulence aérodynamique. Principe de fonctionnement. L'admission d'air depuis l'extérieur et l'aspiration par le moteur produisent un mouvement d'air cyclonique (vortex) de l'air dans le conduit annulaire (5). Les particules d'air présentes dans le conduit annulaire (5) conservent une certaine vitesse lorsque le moteur fonctionne. On voit sur les figures que l'air présent dans la pipe d'admission (7) est prélevé sur le flux cyclonique qui circule dans la zone annulaire (5) entre les deux cylindres. Lorsque la soupape d'admission (3) est fermée, l'air situé dans la pipe d'admission (7) est soumis à une compression aérodynamique du vortex. Lorsque la soupape d'admission (3) s'ouvre, il y a à la fois un effet d'aspiration de la part du piston (2) et un effet d'entraînement de la colonne d'air située dans la pipe d'admission (7) par le vortex, ce qui conduit à une mise en mouvement rapide de cette colonne d'air et à un bon remplissage du cylindre (1). Si la pipe d'admission est raccordée comme sur le schéma cidessus à l'extérieur de la zone annulaire, il y a un effet centrifuge qui tend à augmenter la pression dans la pipe d'admission. A l'inverse, cet effet centrifuge tendant à diminuer la pression vers l'intérieur de la zone annulaire, on aura tout intérêt à y disposer l'admission d'air depuis l'extérieur du dispositif (6). La cavité annulaire (5) constituant un volume tampon important a tendance à atténuer les variations de pression dues à l'aspiration cyclique du moteur, réduisant les phénomènes de résonance acoustique. De plus, le fait d'avoir réuni dans une même cavité annulaire les flux cycloniques de plusieurs cylindres dont les cycles sont toujours imbriqués dans le temps (par exemple en séquence 1-3-4- 2 sur un moteur à quatre cylindres) fait que l'on a quasiment en permanence un cylindre en aspiration, ce qui tend à lisser les variations de pression et de vitesse du flux d'air dans la veine cyclonique Le dispositif fonctionne donc comme un compresseur centrifuge sans pièce mobile, l'admission d'air cyclique dans les cylindres (1) au travers des pipes (7) et les déflecteurs (14) situés sur le petit cylindre (9) créant le mouvement cyclonique de la lame d'air dans la cavité annulaire (5) et l'effet de compression dans les pipes d'admission (7) Généralisation. Le dispositif peut s'appliquer à des moteurs ayant un nombre quelconque de cylindres. La disposition qui en est donnée ci-dessous concerne un moteur à cylindres en ligne, mais l'adaptation est possible à des moteurs à plusieurs rangées de cylindres. Par exemple pour un moteur à cylindres en"V", un dispositif unique pourrait être placé dans le creux du"V"entre les deux culasses, et deux jeux distincts de pipes d'admission devraient être raccordés sur la cavité annulaire (5), par exemple l'un se raccordant vers le haut comme sur les figures 1 et 2, l'autre se raccordant vers le bas. On pourrait également, dans une autre disposition, prévoir pour chaque rangée de cylindres un dispositif suivant la description faite pour un moteur à cylindres en ligne. Dans le cas d'un moteur à plusieurs cylindres, on pourrait réaliser le dispositif cidessus à plusieurs exemplaires, regroupant un ou plusieurs cylindres (1) du moteur sur chacune des cavités annulaires (5) ainsi créées. La présentation qui est faite ci-dessus avec un moteur à quatre temps est tout aussi valable avec un moteur à deux temps, l'ouverture des lumières d'admission du fait du mouvement du piston remplaçant l'effet de la soupape d'admission. De manière annexe, on pourra trouver sur le dispositif des prises de dépression d'air nécessaires par exemple pour l'assistance au freinage ou pour la mesure de la charge du moteur par le calculateur, ainsi que des passages ménagés dans les pipes d'admission pour les injecteurs. On pourra également trouver sur le dispositif des orifices destinés à piéger et récupérer les impuretés contenues dans l'air admis (poussières, eau, huile), ou à maintenir en dépression le carter moteur (reniflards) Ces orifices devraient être disposés de préférence vers l'extérieur et en bas de la cavité annulaire, afin de bénéficier de l'effet centrifuge et de la gravité pour piéger au mieux les impuretés. Ces dispositifs annexes n'ont pas été représentées sur les figures. On pourra prévoir que les pipes d'admission (7), au lieu de présenter une section constante, s'évasent en forme de cornet plus ou moins aplati dans la zone où elles se raccordent sur la cavité annulaire (5), de telle sorte que l'effet de compression par la partie extérieur du vortex soit maximal. Une variante de réalisation consisterait à prévoir un diamètre suffisamment important du cylindre intérieur (9) pour qu'il puisse contenir une cartouche filtrante de type cylindrique On pourrait ainsi gagner sur l'espace disponible dans le compartiment moteur, avec toutefois l'inconvénient d'avoir des impuretés dans la zone située en amont et notamment le papillon pour les moteurs à essence cette variante serait donc préférentiellement à réserver aux moteurs diesel. Comme il va de soit, toute variante de réalisation du principe ci-dessus qui respecterait le principe d'avoir une circulation en vortex entretenu de l'air entre son admission depuis l'extérieur du moteur et sa distribution dans les pipes d'admission vers la culasse en vue de produire un effet de compression aérodynamique de l'air et de minimiser la résonance acoustiques dans les pipes d'admission doit être considérée comme une application de la présente invention. De même, toute forme géométrique (conduits creux indépendants ou imbriqués, cavité de forme cylindrique, torique,...) peut être mise en oeuvre en respectant ce principe L'étude complète et l'optimisation des performances d'un tel dispositif doit se faire en simulation aérodynamique, si possible en technique numérique dite"trois dimensions", ce qui peut conduire à des formes géométriques complexes impossibles à caractériser à priori dans le cadre du présent brevet d'invention. L'élément qui caractérise le dispositif est le vortex d'air entretenu par l'orientation judicieuse des flux d'air entrant et sortant et qui crée une compression aérodynamique dans les pipes d'admission Toute réalisation avec une forme géométrique différente de la variante décrite ci-dessus qui viserait à créer et entretenir un tel vortex dans une cavité de forme appropriée doit être considérée comme une application de la présente invention. Concernant les techniques de réalisation et comme l'homme de l'art le concevra aisément, les différents constituants peuvent être réalisées en un seul ou plusieurs blocs par usinage ou moulage, la décomposition du dispositif en cylindres, plaques ou déflecteurs, ainsi que la géométrie exacte de leur assemblage, telles qu'exposées dans la présente description d'une variante de réalisation, n'étant pas nécessairement respectées. Revendications : 1) Dispositif destiné à l'alimentation en air d'un moteur thermique à pistons, en remplacement du collecteur d'admission, comprenant un ou plusieurs raccordements d'admission d'air (11) depuis l'extérieur du moteur ainsi qu'un ou plusieurs conduits (7) (pipes d'admission) conduisant l'air vers les cylindres (1), caractérisé en ce que une partie de l'air contenu dans le dispositif est guidée de telle sorte qu'elle tourne en continu de manière cyclonique (en vortex) dans une cavité (5), en ce que les pipes d'admission (7) se raccordent de manière tangentielle sur la dite cavité, en ce que l'air admis depuis l'extérieur est également orienté de manière tangentielle (12,14) à la dite cavité, afin que l'aspiration de l'air par les pistons (2) et son admission depuis l'extérieur du dispositif entretiennent le dit vortex, et en ce que les effets aérodynamiques créent dans chaque pipe d'admission (7) une compression de la colonne d'air qu'elle contient en vue d'améliorer le remplissage du cylindre (1) dans la phase d'admission d'air du cycle du moteur. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les pipes d'admission (7) n'ont pas une section constante mais présentent une forme évasée, en cornet plus ou moins aplati, dans la zone (13) où elles se raccordent sur la cavité (5) dans laquelle le vortex est entretenu. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que des prises d'air annexes sont pratiquées dans le dispositif pour l'assistance au freinage, la mesure de la charge du moteur par le calculateur ou tout autre fonction annexe. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que des passages sont ménagés dans les parois pour loger des injecteurs de carburant. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que un ou plusieurs orifices sont ménagés dans les parois pour raccorder un conduit de réaspiration d'air depuis le carter moteur (reniflard). 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que un ou plusieurs orifices annexes sont pratiqués afin de piéger et récupérer les impuretés contenues dans l'air d'admission (poussières, eau, huile). 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la zone (6) située au centre du vortex d'air peut contenir une cartouche de filtrage d'air interposée entre l'arrivée d'air (11) depuis l'extérieur du dispositif et les moyens (9,12) destinés à introduire l'air dans le dit vortex et en ce que un moyen d'accès quelconque tel qu'une plaque amovible disposée dans une paroi (10) permet l'échange de la dite cartouche.