Brevet FR2869358A1 — publié le 20051028

"Circuit d'admission comportant des moyens d'orientation des gaz tangentiellement à un mouvement tourbillonnaire" L'invention concerne un système d'admission de gaz dans au moins une chambre de combustion d'un moteur à combustion. L'invention concerne plus particulièrement un système d'admission de gaz dans au moins une chambre de combustion cylindrique d'axe vertical d'un moteur à combustion délimitée vers le haut par une face circulaire supérieure, du type qui comporte: - un premier conduit d'admission des gaz, notamment d'air, io débouchant dans la chambre de combustion par un premier orifice d'admission excentré de la face supérieure qui est obturé par une première soupape d'admission, le premier conduit d'admission étant conformé pour que le flux de gaz pénètre selon une direction tangentielle dans la chambre de combustion de manière à produire un tourbillon de gaz autour de l'axe vertical de la chambre; et - un second conduit d'admission des gaz débouchant dans la chambre par un second orifice d'admission excentré de la face supérieure qui est obturé par une seconde soupape d'admission, le second conduit étant conformé de manière à orienter le flux de gaz selon une direction sensiblement radiale par rapport à l'axe de la chambre de combustion. L'optimisation de la combustion dans les moteurs à combustion, et notamment dans les moteurs diesel, nécessite de favoriser le mélange air/carburant dans la chambre de combustion. Dans ce but, il est connu de favoriser le mélange de l'air et du carburant par la formation, dans le cylindre, d'un mouvement tourbillonnaire dit de "swirl" dans lequel les gaz contenus dans le cylindre sont animés d'un mouvement de rotation autour d'un axe sensiblement parallèle à l'axe du cylindre. Pour aboutir à un fonctionnement optimal du moteur, il est nécessaire de considérer l'ensemble des paramètres qui régissent l'aérodynamique interne du cylindre, c'est-à-dire l'écoulement des différents fluides dans le cylindre au cours d'un cycle moteur, en tenant notamment compte de la forme de la culasse, des ouvertures et fermetures des soupapes d'admission et d'échappement, de la position et de l'orientation de l'injecteur et des mouvements alternatifs du piston. Le mouvement tourbillonnaire est notamment créé en fin de compression, et particulièrement durant la phase d'injection du carburant, par l'écoulement des gaz dans la chambre de combustion réalisée dans la tête du piston. io Le mouvement de "swirl" créé au cours de la phase d'admission du carburant nécessite aussi un tracé particulier du système d'admission. Les systèmes d'admission existant permettent l'obtention d'un mouvement de "swirl" à l'aide de conduits du type 15 "tangentiel" ou hélicoïdal. Cependant, lorsque le système d'admission comporte deux conduits d'admission, il est parfois impossible d'agencer le second conduit de manière tangentielle sans gêner l'agencement des éléments périphériques du moteur sur la culasse. Le second conduit d'admission doit alors être agencé de manière radiale par rapport à la chambre de combustion. Dans cette configuration, une partie non négligeable du flux de gaz entrant par ce conduit risque de partir à contresens par rapport au sens de rotation du mouvement de "swirl" imparti par l'agencement du premier conduit. Afin de remédier à cet inconvénient l'invention propose un système d'admission du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le second conduit d'admission comporte un tronçon d'extrémité aval rectiligne dont la section de passage a une aire réduite par rapport à l'aire du second orifice d'admission de façon à concentrer le flux de gaz dans une portion aval du second orifice d'admission qui est située en aval selon le sens de rotation du tourbillon. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le contour de la section de passage du tronçon d'extrémité aval a une forme sensiblement rectangulaire dont la hauteur est au moins deux fois supérieure à la largeur; - la largeur de la section de passage du tronçon d'extrémité aval est sensiblement égale au rayon du second orifice d'admission; - au moins un secteur angulaire du pourtour de la portion aval du second orifice d'admission comporte une portion entaillée io en forme d'arc qui s'étend en regard de la direction d'arrivée du flux de gaz de façon à favoriser l'admission du flux de gaz dans le sens de rotation du tourbillon; - le premier orifice d'admission est situé en aval du second orifice d'admission selon le sens de rotation du tourbillon; - le degré d'ouverture de la soupape du second orifice d'admission est commandé en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur de façon à faire varier l'intensité du tourbillon, l'intensité étant inversement proportionnelle au degré d'ouverture de la soupape. 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 aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un cylindre de moteur à combustion interne qui est équipé d'un système d'admission réalisé selon les enseignements de l'invention; - la figure 2 est une vue en plan de dessous de la face inférieure de la culasse représentée à la figure 1 qui comporte deux orifices d'admission; - la figure 3 est une vue en section transversale du conduit d'admission radial représenté à la figure 1; - la figure 4 est une vue en section axiale d'un orifice d'admission qui est réalisé selon les enseignements de l'invention et qui est partiellement obturé par une soupape en position d'ouverture partielle. Dans la suite de la description, on adoptera de manière non limitative une orientation longitudinale, verticale et transversale indiquée par le trièdre L, V, T de la figure 1. Afin de faciliter la compréhension de la description ainsi que des revendications, on utilisera une orientation amont, aval correspondant à la direction générale de l'écoulement des gaz dans le système d'admission, de la gauche vers la droite io conformément à la figure 1. La description est faite en référence à un moteur Diesel à injection directe. Cependant elle n'est pas limitative, et l'invention peut s'appliquer à différents types de moteurs tels qu'un moteur à essence à injection directe. Le cylindre 10 est réalisé sous la forme d'un alésage 12 cylindrique d'axe vertical Al aménagé dans un bloc-moteur ou bloc-cylindres 14. Un piston 16 est animé d'un mouvement alternatif axial dans l'alésage 12 et il délimite, vers le bas, le volume du cylindre. Le bloc-moteur 14 est recouvert d'une culasse 18 dont une face inférieure 20 délimite le cylindre 10 vers le haut. L'espace situé entre le piston 16, la culasse 18 et le cylindre 10 est appelé chambre de combustion 22. La culasse 18 du moteur comporte un premier conduit 28 et un second conduit 30 d'admission des gaz, notamment d'air, dans le cylindre 10. Les conduits d'admission 28 et 30 sont ici orientés de façon sensiblement longitudinale. Seul le second conduit d'admission 30 est représenté à la figure 1. Chaque premier et second conduit d'admission 28, 30 débouche dans la chambre de combustion 22 par un premier et un second orifices d'entrée 32, 34 qui sont obturés par une première et une seconde soupapes d'admission 36, 38 respectivement. Chacune des soupapes d'admission 36, 38 est commandée par une queue 37, 39 respectivement qui s'étend dans les conduits 28, 30 et traverse leur paroi. Chaque soupape 36, 38 est commandée entre une position d'obturation et une position extrême d'ouverture par coulissement selon une direction parallèle à celle de l'axe de sa queue respective 37, 39. Les premier et second orifices d'admission 32, 34 sont excentrés par rapport à l'axe Al du cylindre 10, comme illustré à la figure 2. Le cylindre 10 comporte aussi une bougie d'allumage 35 à étincelles, qui peut être agencée sensiblement selon l'axe Al du cylindre. io Par ailleurs, la culasse 18 comporte aussi un conduit 42 d'échappement des gaz brûlés qui s'ouvre, par un orifice de sortie 44, dans la face inférieure 20 de la culasse. Chaque orifices de sortie 44 du conduit d'échappement 42 est destiné à être obturé par une soupape d'échappement 46. S'agissant d'un moteur à injection directe, le cylindre 10 comporte aussi un injecteur de carburant dont le nez 48 débouche directement dans la chambre 22. Comme on peut le voir sur la figure 1, le piston 16 comporte, dans sa face supérieure 50, un évidement concave 52, aussi appelé bol, qui, en vue de dessus, présente un contour sensiblement circulaire. De manière non limitative, l'évidement 52 est excentré par rapport à l'axe Al du cylindre. En effet, il est intéressant que l'injecteur et l'évidement 52 soient agencés de telle sorte que l'axe principal d'injection de carburant par l'injecteur soit orienté de manière à peu près tangentielle à la surface latérale de l'évidement 52, vers l'intérieur de l'évidement 52. Selon une conception connue, le premier conduit d'admission 28 est conformé pour que le flux de gaz admis à travers l'orifice d'admission 32 provoque un mouvement tourbillonnaire globalement autour de l'axe vertical Al dans la chambre de combustion 22. Par exemple, comme représenté à la figure 2, le premier conduit 28 est orienté selon une direction tangentielle par rapport à la chambre de combustion 22 de façon que les gaz tournent selon un sens horaire autour de l'axe vertical Al, comme indiqué par la flèche S, pour former un mouvement tourbillonnaire de swirl dans la chambre de combustion 22. Pour les besoins de la description, on définit un axe A2 qui est orthogonal et sécant à l'axe Al et qui divise diamétralement le second orifice d'admission 34 en une moitié aval 54 et une moitié amont 56 selon le sens de rotation horaire S du mouvement tourbillonnaire. io Le second conduit d'admission 30 est ici conformé pour que le flux de gaz débouche dans la chambre de combustion 22 à travers le second orifice d'admission 34 selon la direction sensiblement radiale de l'axe A2. Comme représenté à la figure 2, en projection sur un plan horizontal, le tronçon d'extrémité aval 58 du second conduit 30, qui se situe directement en amont du second orifice d'admission 34, est rectiligne. Le tronçon d'extrémité aval 58 est orienté selon la direction indiquée par l'axe A3 qui est parallèle à l'axe A2. Cette forme du second conduit d'admission 30 résulte par exemple des contraintes dues à l'agencement d'éléments périphériques du moteur sur la culasse 18, tels que la bougie 35. De manière à éviter qu'une partie du flux de gaz ne s'oppose au mouvement tourbillonnaire, réduisant ainsi l'efficacité du mélange des gaz d'admission avec le carburant, l'invention propose de concentrer le flux d'air entrant par le second conduit d'admission 30 dans la moitié aval 54 du second orifice d'admission 34. Ainsi, l'aire de la section de passage du tronçon d'extrémité aval 58 du second conduit d'admission 30 est réduite par rapport à l'aire de la section de passage du second orifice d'admission 34. Comme représentée à la figure 3, la section de passage a un contour de forme sensiblement rectangulaire. Le tronçon d'extrémité aval 58 est ainsi délimité latéralement par des parois verticales 59 et il est délimité verticalement par des parois horizontales 61. La largeur L des parois horizontales 61 est sensiblement égale au rayon du second orifice d'admission 34. Avantageusement, la hauteur axiale H des parois verticales 59 est au moins égale au double de la largeur L des parois horizontales 61 de façon à minimiser les pertes de charge des gaz dans le second conduit d'admission 30, notamment lors de l'écoulement des gaz entrant dans le tronçon d'extrémité aval 58, ainsi que lors de l'écoulement des gaz sortant du tronçon io d'extrémité aval 58 dans la chambre de combustion 22. Comme représenté à la figure 2, l'axe A3 du tronçon d'extrémité aval 58 est parallèle à l'axe A2 du second orifice d'admission 34, et il est décalé transversalement par rapport à l'axe A2 de façon que le flux de gaz soit concentrés dans la moitié aval 54 du second orifice d'admission 34. Avantageusement, la culasse 18 comporte une portion entaillée 60 associée au second conduit d'admission 30, de manière à favoriser l'orientation tangentielle du flux de gaz en sortie de l'orifice d'admission 32, 34 associé. Selon la figure 2, la portion entaillée 60 est ici réalisée sur un secteur angulaire 62 du pourtour 64 du second orifice d'admission 34, et elle s'étend en formant un arc. Le secteur angulaire 62 le long duquel le pourtour 64 est entaillé s'étend sensiblement sur une partie aval 62 du pourtour 64. Comme représenté à la figure 2, en projection verticale sur un plan horizontal, la portion entaillée 60 a la forme d'un croissant qui est orienté de manière sensiblement tangentielle au mouvement tourbillonnaire. En section verticale, comme représenté à la figure 4, la portion entaillée 60 est en forme de rampe de hauteur décroissante en s'éloignant de l'orifice d'admission associé 34, de manière à favoriser le mouvement tourbillonnaire S. Avantageusement, le degré d'ouverture de la soupape 38 associée au second orifice d'admission 34 équipé de la portion entaillée 60 est susceptible de varier, c'est-à-dire que la soupape 38 est susceptible d'être commandée vers une position d'ouverture partielle en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur, et notamment en fonction de la charge du moteur. On dit aussi que la soupape 38 a une loi de levée variable. Ainsi, la longueur de la course de coulissement verticale de la soupape 38 depuis sa position d'obturation vers sa position d'ouverture partielle est inférieure à la course de coulissement de la soupape vers sa position extrême d'ouverture maximale. io De cette façon, comme représenté à la figure 4, lorsque la soupape 38 est en position d'ouverture partielle, la majorité du flux de gaz admis est expulsé par l'ouverture dégagée entre la portion entaillée 60 et la soupape 38 selon une direction susceptible d'amplifier l'intensité du mouvement tourbillonnaire. Avantageusement, le premier orifice d'admission 28 est situé en aval du second orifice d'admission 30 selon le sens de rotation S du mouvement tourbillonnaire des gaz. Ainsi, le mouvement tourbillonnaire peut se former dans la chambre de combustion 22 sans être sensiblement perturbé par la portion mineure du flux de gaz qui est admise à travers le second orifice d'admission 30 selon une orientation contraire au sens de rotation du mouvement tourbillonnaire. REVENDICATIONS 1. Système d'admission de gaz dans au moins une chambre de combustion (22) cylindrique d'axe vertical (Al) d'un moteur à combustion délimitée vers le haut par une face circulaire supérieure (20), du type qui comporte: - un premier conduit (28) d'admission des gaz, notamment d'air, débouchant dans la chambre de combustion (22) par un premier orifice d'admission (32) excentré de la face supérieure (20) qui est obturé par une première soupape d'admission (36), le io premier conduit d'admission (28) étant conformé pour que le flux de gaz pénètre selon une direction tangentielle dans la chambre de combustion (22) de manière à produire un tourbillon de gaz autour de l'axe vertical (Al) de la chambre (22) ; et - un second conduit (30) d'admission des gaz débouchant dans la chambre (22) par un second orifice d'admission (34) excentré de la face supérieure (20) qui est obturé par une seconde soupape d'admission (38), le second conduit (30) étant conformé de manière à orienter le flux de gaz selon une direction (A3) sensiblement radiale par rapport à l'axe (Al) de la chambre de combustion (22), caractérisé en ce que le second conduit d'admission (30) comporte un tronçon d'extrémité aval (58) rectiligne dont la section de passage a une aire réduite par rapport à l'aire du second orifice d'admission (34) de façon à concentrer le flux de gaz dans une portion aval (54) du second orifice d'admission (34) qui est située en aval selon le sens de rotation (S) du tourbillon. 2. Système d'admission selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le contour de la section de passage du tronçon d'extrémité aval (58) a une forme sensiblement rectangulaire dont la hauteur (H) est au moins deux fois supérieure à la largeur (L). 3. Système d'admission selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la largeur (L) de la section de passage du tronçon d'extrémité aval (58) est sensiblement égale au rayon du second orifice d'admission (34). 4. Système d'admission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un secteur angulaire (62) du pourtour (64) de la portion aval du second orifice d'admission (34) comporte une portion entaillée (60) en forme d'arc qui s'étend en regard de la direction (A3) d'arrivée du flux de gaz de façon à favoriser l'admission du flux de gaz dans le sens de rotation (S) du tourbillon. 5. Système d'admission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier orifice d'admission (32) est situé en aval du second orifice d'admission (34) selon le sens de rotation (S) du tourbillon. 6. Système d'admission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le degré d'ouverture de la soupape (38) du second orifice d'admission (34) est commandé en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur de façon à faire varier l'intensité du tourbillon, l'intensité étant inversement proportionnelle au degré d'ouverture de la soupape (38).