Brevet FR2841601A1 — publié le 20040102

"Circuit d'admission d'air ayant deux modes de vibration de l'air" L'invention concerne un moteur à combustion interne, du type qui comporte des cylindres comprenant des orifices d'aspiration d'air raccordés à un circuit d'admission d'air, et des orifices d'échappement des gaz brlés raccordés à un circuit d'échappement. L'invention concerne plus particulièrement un circuit d'admission d'air pour un moteur à combustion interne io suralimenté par un turbocompresseur, du type qui comporte un conduit d'admission qui raccorde un dispositif de refroidissement de l'air d'admission à un orifice d'entrée d'un collecteur d'admission, qui comporte des conduits d'alimentation de dimensions globalement identiques, qui s'étendent à partir d'orifices de sortie du collecteur d'admission jusqu'à des orifices d'aspiration de cylindres qui sont obturés par des soupapes dont l'ouverture cyclique induit dans l'air d'admission une onde longitudinale incidente primaire qui se propage dans les conduits d'alimentation, et dans lequel le collecteur d'admission réfléchit au moins partiellement l'onde longitudinale incidente primaire sous la forme d'une onde longitudinale réfléchie secondaire dans les conduits d'alimentation, le circuit d'admission ayant un premier mode propre de vibration, de l'air d'admission contenu dans les conduits d'alimentation, dont la fréquence est notamment fonction de la longueur des conduits d'alimentation. Il est fréquent que les moteurs, notamment les moteurs diesel, soient suralimentés par un turbocompresseur de façon à améliorer leurs performances. Le turbocompresseur permet notamment d'augmenter leur rendement et leur puissance. Pour chaque moteur, il est nécessaire de dimensionner correctement le turbocompresseur et d'en optimiser la taille. Un "gros" turbocompresseur présente un rendement optimal pour un débit et une pression élevés des gaz d'échappement. De tels débit et pression sont fournis par le moteur lorsqu'il fonctionne à hauts régimes. bas régimes, un gros turbocompresseur présente un rendement médiocre, du fait notamment de son inertie importante. De plus, lorsque le régime du moteur est inférieur à un régime de seuil, le turbocompresseur ne fonctionne pas car le débit et la pression des gaz d'échappement sont trop faibles. Le régime de seuil est appelé régime " d'accrochage " du turbocompresseur. Un "petit" turbocompresseur présente un régime io d'accrochage plus faible que celui d'un gros turbocompresseur. Il présente aussi un rendement optimal pour des valeurs de débit et de pression des gaz d'échappement plus faibles que celles nécessaires pour un gros turbocompresseur. Cependant, le rendement d'un tel turbocompresseur est limité pour un fonctionnement à des régimes plus élevés, car la totalité des gaz d'échappement fournis par le moteur ne peuvent participer à l'augmentation de la pression de l'air frais par le compresseur. Ainsi, il existe un régime au-dessus duquel le rendement du turbocompresseur n'est plus optimal et qui correspond à une perte de puissance du moteur, et qui est appelé régime de décrochement. Le compromis est difficile à trouver, puisqu'il est nécessaire que le rendement du moteur soit optimal dans une plage importante de régimes allant de bas régimes de l'ordre de 1000 tours par minute jusqu'à des hauts régimes de l'ordre de 4500 tours par minute. En général, le dimensionnement est réalisé pour que le rendement du turbocompresseur soit acceptable à des bas régimes du moteur. Par conséquent de tels compresseurs ne permettent pas l'augmentation optimale de la compression de l'air frais à des hauts régimes. La détermination du débit et de la pression des gaz d'échappement dépend des caractéristiques du moteur, c'est-à- i dire notamment de sa cylindrée, ainsi que du remplissage naturel des chambres de combustion de ses cylindres. Le remplissage naturel correspond à la quantité d'air effectivement admise dans les chambres de combustion des cylindres du moteur. Pour chaque moteur, à chaque régime de fonctionnement, correspond une quantité d'air théorique qui est admise dans les chambres de combustion des cylindres du moteur. Le rapport entre le remplissage naturel et la quantité d'air îo théorique définit le rendement volumétrique du moteur. Ainsi, une augmentation du remplissage naturel, donc du rendement volumétrique naturel, à bas régimes du moteur, permet d'augmenter le débit ainsi que la pression des gaz d'échappement et, par conséquent, permet d'abaisser le régime d'accrochage du turbocompresseur. Cela permet aussi l'augmentation du rendement du turbocompresseur à bas régimes et/ou l'utilisation d'un turbocompresseur plus gros qui améliore le rendement du moteur à des régimes plus élevés. Dans tous les cas l'augmentation du rendement volumétrique naturel à bas régime est avantageuse. Il est également intéressant de pouvoir augmenter le rendement volumétrique naturel du moteur à hauts régimes. Cela permet en effet de maintenir le niveau de puissance fournie par le moteur pour des régimes dont les valeurs sont au-delà de la plage de rendement optimale du turbocompresseur. Il est ainsi possible de diminuer la taille du turbocompresseur et d'obtenir une puissance équivalente à celle d'un gros turbocompresseur pour les hauts régimes. Il est connu, pour certains moteurs tels que les moteurs à aspiration naturelle (c'est-à-dire sans turbocompresseur) d'utiliser les effets de la résonance acoustique du circuit d'admission qui est liée à la propagation des ondes de compression, notamment lors de l'ouverture et de la fermeture des soupapes d'aspiration. Lorsque la soupape d'aspiration est ouverte, la dépression qui règne dans le cylindre se propage dans le circuit d'admission d'air sous la forme d'une onde de dépression. Lorsque cette onde se réfléchit, par exemple sur un refroidisseur d'air de suralimentation, elle se transforme en une onde de compression " en retour " qui parcourt le circuit d'admission en direction des chambres de combustion. Dans la suite de la description, nous définissons une fréquence de rotation du moteur qui est le régime du moteur io exprimé en tours par seconde. Pour les moteur à quatre cylindres, lorsque la fréquence de résonance du circuit d'admission correspond à la moitié d'une fréquence de rotation déterminée du vilebrequin du moteur, l'onde de compression arrive au niveau de la chambre de combustion lorsque la soupape d'aspiration est ouverte. Le rendement volumétrique naturel est ainsi augmenté et ceci améliore les performances du moteur au régime correspondant à la fréquence de rotation déterminée. Il est connu d'agencer dans le circuit d'admission un collecteur d'admission ayant une capacité égale à au moins deux fois le volume de la cylindrée des chambres de combustion qui y sont reliées. Ainsi les ondes acoustiques issues des chambres de combustion sont entièrement réfléchies. Les longueurs des conduits d'admission sont donc déterminées de façon que le circuit entre en résonance lorsque le moteur atteint un haut régime déterminé. On emploie cette stratégie pour des moteurs pour lesquels on veut faire de la puissance, comme les moteurs de compétition quand on atteint la limite du rapport de pression de compresseur par exemple. Cependant, cette solution défavorise fortement le remplissage à bas régimes. Il est également connu d'agencer un collecteur d'admission dont la capacité est inférieure à la moitié de la cylindrée. Un tel collecteur d'admission favorise le passage des ondes acoustiques qui sont alors réfléchies par le refroidisseur d'air. Le conduit d'admission et les conduits d'alimentation sont alors dimensionnés de façon que le circuit d'admission entre en résonance avec le moteur pour un bas régime déterminé. Cependant, cette solution est peu favorable pour le remplissage à hauts régimes. Chaque circuit d'admission a une seule fréquence de résonance naturelle fadm, il n'est donc possible de favoriser qu'un seul régime du moteur. La présente invention propose pour résoudre ces problèmes un circuit d'admission du type décrit précédemment, io caractérisé en ce que le collecteur d'admission est constitué d'éléments dont la forme est destinée à guider l'écoulement de l'air d'admission depuis l'orifice d'entrée jusqu'aux orifices de sortie de façon globalement laminaire, et en ce que le volume du collecteur d'admission est sensiblement égal aux trois-quarts de la cylindrée du moteur, de façon que l'onde longitudinale incidente primaire soit partiellement transmise au conduit d'admission d'air sous la forme d'une onde longitudinale incidente secondaire qui est globalement réfléchie sur le dispositif de refroidissement d'air, le circuit d'admission d'air ayant ainsi un second mode de vibration, de l'air d'admission contenu entre le dispositif de refroidissement et les orifices d'aspiration, dont la fréquence est notamment fonction de la longueur du conduit d'admission et de la longueur des conduits d'alimentation. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le collecteur d'admission comporte une première partie formant répartiteur qui a la forme d'un pavillon qui est évasé à partir d'une extrémité amont, comprenant l'orifice d'entrée, jusqu'à une extrémité aval, et une deuxième partie constituée d'un faisceau de canalisations aval dans lequel débouche l'extrémité aval de la première partie, les canalisations se terminant chacune par un desdits orifices de sortie; - les conduits d'alimentation ont une longueur telle que la première fréquence de résonance correspond à un régime dit d'accrochage du turbocompresseur; - le conduit d'admission a une longueur telle que, ajoutée à la longueur des conduits d'alimentation, la seconde fréquence de résonance correspond à un régime dit de décrochage du turbocompresseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin annexé dont la figure unique représente schématiquement un groupe motopropuiseur équipé d'un circuit d'admission d'air réalisé selon les enseignements de l'invention. La figure représente un groupe motopropulseur 10 suralimenté selon les enseignements de l'invention. Il comprend notamment un moteur à combustion 12, un circuit d'admission 14, un circuit d'échappement 16 et un turbocompresseur 18. Un filtre à air 20 est situé en amont du circuit d'admission 14, et il permet de retenir les particules présentes dans l'air frais provenant de l'atmosphère. Le turbocompresseur 18 comprend un compresseur 22 qui met sous pression de l'air frais atmosphérique et une turbine 24 qui fournit l'énergie mécanique nécessaire à l'entraînement du compresseur 22. Le circuit d'admission 14 comporte un conduit d'admission 26 dans lequel est agencé un dispositif de refroidissement 28 qui permet de refroidir l'air d'admission provenant du compresseur 22. Le conduit d'admission 26 est divisé en un premier élément amont 30 et en un second élément aval 32 situés respectivement de part et d'autre du dispositif de refroidissement 28. Le second élément aval 32 débouche dans un collecteur d'admission 34 par un orifice d'entrée 36. Des conduits d'alimentation 38, qui sont ici au nombre de quatre, s'étendent à partir d'orifices de sortie 40 du collecteur d'admission 34, et ils sont raccordés à des orifices d'aspiration 42 de quatre cylindres 44 du moteur 12. Les cylindres 44 sont ainsi alimentées en air. Les orifices d'aspiration 42 des cylindres 44 sont obturés par des soupapes (non représentées) qui s'ouvrent cycliquement pour aspirer de l'air selon une fréquence qui est fonction du régime du moteur 12. Le collecteur d'admission 34 est du type assurant un raccordement " quatre en un ". Ce collecteur comporte un pavillon amont 46 de répartition et, ici, quatre canalisations aval 48. Le pavillon 46 est évasé à partir d'une extrémité amont qui io est l'orifice d'entrée 36. L'orifice d'entrée 36 est ici sensiblement de même section que le conduit d'admission 26. Le pavillon 46 comporte une extrémité aval 50 qui a ici une section sensiblement supérieure à la section de l'orifice d'entrée 36. L'extrémité aval 50 du pavillon 46 débouche en regard d'un faisceau de quatre canalisations aval 48 qui se terminent chacune par un orifice de sortie 40 sur lequel est branché un conduit d'alimentation 38. La division du pavillon 46 en faisceau 48 est telle que l'écoulement de l'air d'admission dans le collecteur d'admission 34 est globalement laminaire. Le volume total V du collecteur 34 est sensiblement égal aux trois-quarts de la cylindrée du moteur 12. Dans ce mode de réalisation, le collecteur d'admission 34 est délimité longitudinalement par un premier plan amont contenant l'orifice d'admission 36 et par un second plan aval sensiblement parallèle contenant les quatre orifices de sortie 40. Les orifices de sortie 40 sont ici tangents entre eux et ils sont disposés globalement en quinconce par rapport à l'orifice d'entrée 36. Nous allons maintenant décrire le cheminement de l'air lors du fonctionnement du groupe motopropulseur 10. L'air frais provenant de l'atmosphère est admis dans un tronçon d'entrée 52 du circuit d'admission 14, après avoir traversé le filtre à air 20. Il est alors aspiré, puis comprimé par le compresseur 22. La compression de l'air provoque son échauffement. L'air est ensuite refroidi lors de son passage dans le dispositif de refroidissement 28. A la sortie de ce dernier, le second élément aval 32 conduit l'air frais comprimé dans le collecteur d'admission 34. Le collecteur d'admission 34 répartit l'air frais comprimé dans les quatre conduits d'alimentation 38. L'air est alors aspiré dans les cylindres 44 lors de l'ouverture des soupapes d'admission. 1o Après la combustion, les gaz d'échappement G sous pression sont rejetés, par l'intermédiaire d'un collecteur d'échappement 54, dans une conduite d'échappement 56 qui alimente la turbine 24. Les gaz d'échappement G sont alors rejetés dans l'atmosphère par un tronçon de sortie 58 du circuit i5 d'échappement 16. Le circuit d'échappement 16 comporte aussi une conduite qui permet de dériver une partie des gaz d'échappement G directement de la conduite d'échappement 56 vers le tronçon de sortie 58. Une vanne dite " wastegate " 62 est interposée dans la conduite de dérivation 60 pour contrôler le débit de gaz qui circule dans la conduite de dérivation 60. Ainsi, lorsque le débit des gaz d'échappement G est supérieur au débit maximal admissible par la turbine 24, la conduite de dérivation 60 permet d'évacuer le surplus directement vers le tronçon de sortie 58. Nous allons à présent décrire les phénomènes vibratoires qui se produisent dans le circuit d'admission 14 réalisé selon les enseignements de l'invention, ainsi que les avantages d'un tel circuit d'admission 14. Lors de l'aspiration de l'air dans cylindres 44, l'ouverture cyclique des soupapes d'admission induit dans l'air d'admission une onde longitudinale incidente primaire 011 qui se propage d'aval en amont dans les conduits d'alimentation 38 jusqu'au collecteur d'admission 34. Le volume V spécifique du collecteur d'admission 34 est dimensionné pour que l'onde incidente primaire 011 se divise en deux ondes secondaires, 012 et OR2, de même fréquence que l'onde incidente primaire 011, mais dont les amplitudes respectives sont inférieures à l'amplitude de l'onde primaire 011. D'une part, le volume V d'air contenu dans le collecteur d'admission 34 est suffisant pour que l'onde incidente primaire 011 se réfléchisse partiellement sous la forme d'une onde réfléchie secondaire OR2 qui se déplace d'amont en aval dans les 1o conduits d'alimentation 38. D'autre part, le volume V d'air contenu dans le collecteur d'admission 34 est suffisamment faible pour transmettre partiellement l'onde incidente primaire 011 à l'air contenu dans le conduit d'admission 26, sous la forme d'une onde longitudinale is incidente secondaire 012 qui se déplace d'aval en amont dans le conduit d'admission 26. La transmission de l'onde incidente primaire 011 à l'air contenu dans le conduit d'admission 26 est avantageusement favorisée par l'écoulement laminaire de l'air d'admission dans le collecteur d'admission 34. L'onde incidente secondaire 012 se réfléchit ensuite globalement sur le dispositif de refroidissement de l'air 28. Ainsi, lorsque le moteur 12 tourne à un premier régime de résonance Rl, la superposition des deux ondes, incidente primaire 011 et réfléchie secondaire OR2, crée une onde stationnaire qui améliore le rendement volumétrique naturel des cylindres. Le premier régime de résonance RI est fonction de la longueur LI des conduits d'alimentation 38. Avantageusement, la longueur Ll des conduits d'alimentation 38 est déterminée de façon que le premier régime de résonance Ri corresponde sensiblement au régime de décrochement du turbocompresseur 18. De la même manière, lorsque le moteur 12 tourne à un second régime de résonance R2, la réflexion de l'onde incidente secondaire 012 crée un second mode de vibration de l'air d'admission contenu entre le dispositif de refroidissement 28 et les orifices d'aspiration 42. La fréquence du second régime de résonance R2 est notamment fonction de la somme de la longueur L2 de l'élément aval 32 du conduit d'admission 26 et de la longueur Ll des conduits d'alimentation 38. Avantageusement, la longueur L2 de io l'élément aval 32 du conduit d'admission 26 est déterminée de façon que le second régime de résonance R2 corresponde sensiblement au régime d'accrochage du turbocompresseur 18. 1 l t Il REVENDICATIONS 1. Circuit d'admission d'air (14) pour un moteur à combustion interne (12) suralimenté par un turbocompresseur (18), du type qui comporte un conduit d'admission (32) qui raccorde un dispositif de refroidissement (28) de l'air d'admission à un orifice d'entrée (36) d'un collecteur d'admission (34), qui comporte des conduits d'alimentation (38) de dimensions globalement identiques, qui s'étendent à partir d'orifices de sortie (40) du collecteur d'admission (34) jusqu'à des orifices io d'aspiration (42) de cylindres (44) qui sont obturés par des soupapes dont l'ouverture cyclique induit dans l'air d'admission une onde longitudinale incidente primaire (011) qui se propage dans les conduits d'alimentation (38), et dans lequel le collecteur d'admission (34) réfléchit au moins partiellement l'onde longitudinale incidente primaire (011) sous la forme d'une onde longitudinale réfléchie secondaire (OR2) dans les conduits d'alimentation (38), le circuit d'admission (14) ayant un premier mode propre de vibration, de l'air d'admission contenu dans les conduits d'alimentation (38), dont la fréquence est notamment fonction de la longueur (Ll) des conduits d'alimentation (38), caractérisé en ce que le collecteur d'admission (34) est constitué d'éléments (46, 48) dont la forme est destinée à guider l'écoulement de l'air d'admission depuis l'orifice d'entrée (36) jusqu'aux orifices de sortie (40) de façon globalement laminaire, et en ce que le volume (V) du collecteur d'admission (34) est sensiblement égal aux trois-quarts de la cylindrée du moteur (12), de façon que l'onde longitudinale incidente primaire (011) soit partiellement transmise au conduit d'admission d'air (32) sous la forme d'une onde longitudinale incidente secondaire (012) qui est globalement réfléchie sur le dispositif de refroidissement d'air (28), le circuit d'admission d'air (14) ayant ainsi un second mode de vibration, de l'air d'admission contenu entre le dispositif de refroidissement (28) et les orifices d'aspiration (42), dont la fréquence est notamment fonction de la longueur (L2) du conduit d'admission (32) et de la longueur (Li) des conduits d'alimentation (38). 2. Circuit d'admission (14) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le collecteur d'admission comporte: - une première partie (46) formant répartiteur qui a la forme d'un pavillon qui est évasé à partir d'une extrémité amont (36), comprenant l'orifice d'entrée (36), jusqu'à une extrémité aval (50), et - une deuxième partie constituée d'un faisceau de canalisations aval (48) dans lequel débouche l'extrémité aval (50) de la première partie, les canalisations (48) se terminant chacune par un desdits orifices de sortie (40). 3. Circuit d'admission (14) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conduits d'alimentation (38) ont une longueur (LI) telle que la première fréquence de résonance correspond à un régime dit d'accrochage (RI) du turbocompresseur (18). 4. Circuit d'admission (14) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le conduit d'admission (32) a une longueur (L2) telle que, ajoutée à la longueur (Li) des conduits d'alimentation (38), la seconde fréquence de résonance correspond à un régime dit de décrochage (R2) du turbocompresseur (18).