Brevet FR2887584A3 — publié le 20061229

FR 2887584 A3 20061229 FR 0506310 A 20050622 Système d'admission à niveau d'aérodynamique optimisé et variable L'invention concerne le domaine des systèmes d'admission pour moteur à combustion interne dont le mélange d'air et de carburant a un niveau d'aérodynamique élevé. Plus particulièrement il s'agit d'un système de génération d'un tourbillon dit swirl d'axe voisin de celui du cylindre, le niveau de swirl étant adapté au régime moteur et variable. Le niveau de swirl est le rapport entre la vitesse de rotation de l'air à l'intérieur du cylindre et la vitesse de rotation de l'arbre moteur. Plus le niveau de swirl est élevé, plus le mélange dans la chambre de combustion du moteur est homogène. L'homogénéité du mélange apporte une meilleure combustion et donc un meilleur rendement et une pollution moindre. Le swirl implique cependant des conséquences au niveau de l'admission. En effet, lorsqu'un tourbillon d'air est créé dans la tubulure d'admission, la perméabilité diminue. La perméabilité qui permet de quantifier l'efficacité d'une loi de levée des soupapes, en pourcentage, par rapport à une loi idéale, pour laquelle la soupape s'ouvrirait instantanément, est directement fonction du débit de l'air. Le débit d'air pour un flux tourbillonnant est en effet moindre que pour un flux rectiligne. Ainsi lorsque la perméabilité diminue le moteur reçoit une quantité d'air moindre, sachant que plus le niveau de swirl augmente, plus la perméabilité diminue. II y a un compromis à trouver pour qu'on ait à la fois une bonne perméabilité et un bon niveau de swirl, le niveau de swirl doit donc être réglé en fonction du régime moteur pour avoir un niveau de swirl important à bas régime et un niveau de swirl faible à haut régime. Il existe des systèmes de moteur ayant deux conduits d'admission doubles combinés avec deux conduits d'échappement et deux bougies d'allumage. Dans ce dispositif, les deux accès des conduits d'échappement sont diamétralement opposés, selon un diamètre et les deux accès d'un conduit d'admission sont positionnés symétriquement par rapport aux deux autres accès de l'autre conduit d'admission, selon un plan de symétrie vertical, le plan de symétrie comprenant l'axe central de la chambre de combustion et le diamètre selon lequel les conduits d'échappement sont opposés. Un tel dispositif est décrit notamment par le brevet IT1245678. Toutefois ce brevet n'enseigne pas de variation du swirl pour un même régime moteur. II n'est donc pas possible de contrôler le niveau de swirl. II existe des systèmes de moteur ayant un conduit d'admission se divisant en deux et débouchant dans la chambre de combustion par deux ouvertures d'admission diamétralement opposées. Un tel dispositif est décrit notamment par le brevet US6267096. Toutefois ce brevet n'enseigne pas de variation de swirl pour un même régime moteur ni le contrôle du niveau de swirl. De plus, la structure, décrite dans ce brevet, comporte un coude à angle droit pour l'un des conduits d'admission, ce qui implique une perte de charge, due aux perturbations de l'écoulement de l'air apparaissant au niveau de l'angle droit dans le conduit. Il existe des systèmes ayant deux conduits d'admission diamétralement opposés et deux conduits d'échappement diamétralement opposés. Un tel dispositif est décrit notamment par le brevet JP57062926. Toutefois ce brevet n'enseigne pas de variation du swirl pour un même régime moteur ni le contrôle du niveau de swirl. La présente invention a donc pour objet de pallier plusieurs inconvénients de l'art antérieur en créant un ensemble permettant dans un moteur à combustion interne, d'avoir un flux d'air tourbillonnant, durant l'admission, suivant un axe proche de celui du cylindre, l'effet tourbillonnant étant optimisé par la structure du système d'admission et le niveau de swirl étant variable pour un même régime moteur. Cet objectif est atteint grâce à un système d'admission à niveau d'aérodynamique optimisé et variable, associé à une chambre de combustion, comprenant au moins deux conduits d'admission, chacun ayant un accès, débouchant dans la chambre de combustion, dont l'ouverture est contrôlée au moins par une soupape d'admission, les deux accès des conduits d'admission étant diamétralement opposés, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de perturbation du flux d'air d'au moins un conduit d'admission et que les accès des conduits d'admission sont décalés radialement par rapport au centre de la chambre de combustion. Selon une autre particularité, les accès des conduits d'admission dans la chambre de combustion sont placés le plus proche possible de la périphérie de la chambre de combustion de façon à ce qu'il existe un jeu fonctionnel entre la périphérie de la chambre de combustion et la périphérie des accès des conduits d'admission, permettant la levée des soupapes d'admission. Selon une autre particularité, les moyens de perturbation du flux d'air sont deux clapets obturateurs disposés chacun dans un conduit d'admission, en amont de l'accès à la chambre de combustion. Selon une autre particularité, les dispositifs d'ouverture et de fermeture des conduits d'admission comprennent chacun au moins une soupape d'admission et les moyens de perturbation du flux d'air sont réalisés par une levée variable des soupapes d'admission. Selon une autre particularité, le système d'admission est couplé avec deux conduits d'échappement débouchant dans la chambre de combustion par deux accès dont l'ouverture est chacune contrôlée par une soupape d'échappement, les accès des conduits d'échappement étant diamétralement opposés. Selon une autre particularité, l'axe joignant le centre des accès des conduits d'échappement forme un angle droit avec l'axe joignant le centre des accès des conduits d'admission. Selon une autre particularité, au moins un conduit d'admission débouche dans la chambre de combustion selon une direction tangente à la paroi de la chambre de combustion. Selon une autre particularité, au moins un conduit d'admission débouche dans la chambre de combustion selon une trajectoire hélicoïdale. Selon une autre particularité, l'angle formé par les clapets obturateurs par rapport à l'axe du conduit est contrôlé par des premiers moyens et des seconds moyens de commande contrôlent la levée variable des soupapes en fonction du régime. Selon une autre particularité, au-dessus d'un haut régime déterminé, les premiers moyens commandent l'angle des clapets à 0 et les seconds 5 moyens commandent la levée des soupapes au maximum. Selon une autre particularité, au-dessous d'un bas régime déterminé les premiers moyens commandent l'angle des clapets à un angle maximum déterminé et les seconds moyens commandent la levée des soupapes au minimum. Selon une autre particularité, un procédé de combustion pour un moteur à combustion interne utilisant un système d'admission selon l'invention comprend un cycle de balayage. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite en référence à la figure 1 représentant une vue de dessus des accès des conduits d'admission et des accès des conduits d'échappement dans la culasse. L'invention va à présent être décrite en référence à la figure 1. La chambre (9) de combustion de forme cylindrique comporte deux accès (7, 7') des conduits (1, 1') d'admission et deux accès (8, 8') des conduits (2, 2') d'échappement. Les accès (7, 7', 8, 8') sont réalisés dans la culasse (3, 3') qui ferme la chambre de combustion. L'ouverture ou la fermeture des accès (7, 7') des conduits (1, 1') d'admission et des accès (8, 8') des conduits (2, 2') d'échappement est réalisée respectivement par les soupapes d'admission et d'échappement. Un injecteur (4) situé éventuellement à l'intérieur de la chambre de combustion permet une injection directe du carburant et une bougie de préchauffage, dans le cas d'un moteur diesel, ou d'allumage, dans le cas d'un moteur essence est située éventuellement à l'intérieur de la chambre de combustion. L'injecteur (4) et la bougie (5) ont une position proche de celle du centre de l'axe du cylindre de combustion et sont fixés dans la culasse (3, 3'). Les deux accès (7, 7') des conduits (1, 1') d'admission dans la chambre (9) de combustion sont de même forme et diamétralement opposés par rapport à l'axe central de la chambre (9) de combustion. La distance (J) entre l'accès (7, 7') d'un conduit (1, 1') d'admission et la périphérie de la chambre (9) de combustion est prise minimale telle que la soupape fermant l'accès (7, 7') du conduit (1, 1') d'admission puisse se lever, selon son fonctionnement normal. La rotation de l'air à l'intérieur du cylindre (9) de combustion, également appelée chambre (9) de combustion, est causée par l'injection d'air à sa périphérie. Le centre du tourbillon étant environ l'axe du cylindre, l'effet de swirl provoqué par l'admission d'air sera d'autant plus important que l'ouverture d'admission sera située à la périphérie du cylindre. La position symétrique des accès (7, 7') des conduits d'admission participe à rendre le tourbillon d'air symétrique en agissant, de façon symétrique, sur le fluide à l'intérieur de la chambre (9) de combustion. Ces deux caractéristiques structurelles participent à la création d'un tourbillon d'air, dit de swirl, ayant un axe le plus proche de celui de la chambre (9) de combustion. La position des accès (7, 7') des conduits (1, 1') d'admission crée un niveau de swirl donné à un régime moteur donné. Afin de faire varier le niveau de swirl pour un même régime moteur, des clapets (6, 6') obturateurs sont introduits dans les conduits (1, 1') d'admission, la position des clapets (6, 6') étant réglable. Les clapets (6, 6') obturateurs positionnés tangentiellement au flux d'air ne créent pas de perturbation. Plus l'angle d'écartement de cette position tangentielle augmente, plus la perturbation créée sera importante. Une position écartée de la position tangentielle est représentée en traits pointillés, la position tangentielle de l'obturateur (6, 6') étant représentée en trait plein. II est donc possible de faire varier le niveau de swirl pour un même régime moteur. Pour les bas régimes moteur, nécessitant un apport moindre de volume d'air, l'homogénéité du mélange d'air et de carburant sera augmentée par l'ajout d'une perturbation, afin d'avoir une meilleure combustion donnant un meilleur rendement et un effet polluant moindre. A l'inverse, plus les clapets (6, 6') obturateurs auront chacun une position proche de la position tangentielle au flux, représentée en trait plein, plus la perméabilité sera importante. Une perméabilité importante sera réglée pour un régime moteur élevé afin de favoriser l'arrivée d'air. On vise donc par ce réglage à ne pas perturber le flux d'air afin d'introduire un maximum d'air dans la chambre (9) de combustion. Dans un autre mode de réalisation, le système d'admission comporte un dispositif de variation du niveau de swirl réalisé par une commande des soupapes réglable, visant à faire varier l'avancée des soupapes. L'utilisation d'un système de levée variable des soupapes d'admission a pour effet de jouer sur la perméabilité. La perméabilité est en effet directement liée à la hauteur de levée des soupapes. L'air passe donc d'autant moins bien que les soupapes sont peu ouvertes et on a alors une baisse de la perméabilité. Ce type de fonctionnement est adopté pour les régimes moteurs bas car ils ne nécessitent pas un apport d'air important et la faible levée des soupapes provoque, au niveau de l'ouverture d'admission, une perturbation supplémentaire du flux d'air d'admission. On a donc un flux d'air plus perturbé et donc un niveau de swirl plus élevé, le mélange d'air et de carburant étant alors plus homogène. Dans le cas d'un régime moteur élevé nécessitant un apport important en air, l'ouverture des soupapes est augmentée, voire amenée au maximum. Il est nécessaire d'avoir un apport d'air important pour lequel le niveau de swirl sera diminué, mais permettant d'avoir une perméabilité plus élevée. Ainsi pour un régime moteur très élevé on aura une levée des soupapes réglée au maximum. Les accès (8, 8') des conduits (2, 2') d'échappement sont réalisés de façon symétrique par rapport à l'axe central du cylindre (9) de combustion. Le fait d'avoir des positions d'accès de conduit (1, 1', 2, 2') symétriques dans la culasse (3, 3') permet une répartition des conduits d'admission (1, 1') et d'échappement (2, 2') homogène au niveau de la culasse (3, 3'). D'autre part, durant la phase d'échappement réalisée avant la phase d'admission, un mouvement circulaire du gaz résiduel est créé du fait de l'échappement par les accès (8, 8') des conduits (2, 2') d'échappement réalisés dans la culasse (3, 3') de façon symétrique et diamétralement opposée. De plus la direction des conduits (1, 1') d'admission et des conduits (2, 2') d'échappement est réalisée de façon à ce que les tourbillons créés lors de l'admission et lors de l'échappement aient un même sens de rotation. Lors du cycle d'échappement, le mouvement tourbillonnant du gaz, à l'intérieur de la chambre de combustion, est donc démarré dans le même sens que le tourbillon créé lors de l'admission. Il est possible en utilisant ce système d'admission combiné ou non avec un circuit d'échappement symétrique tel que décrit précédemment, d'ajouter un cycle de balayage afin d'évacuer le volume de gaz résiduel après la combustion. Les conduits d'admission (1, 1') sont conçus de façon à ce qu'ils ne présentent pas d'angle saillant. Le débit d'air est contrôlé de manière à pouvoir ajouter une perturbation ou non. A haut régime, lorsqu'on supprime la perturbation dans le conduit (1, 1') d'admission, il n'y a donc pas de perte de charge. Dans un exemple de réalisation, un seul des conduits ou les deux conduits d'admission ont une forme dont le prolongement est tangentiel à la paroi de la chambre de combustion. Les conduits d'admission peuvent ainsi avoir une forme rectiligne, comme représenté sur la figure 1, ou une forme courbe, voire hélicoïdale. Dans un autre exemple de réalisation, un des conduits ou les deux conduits d'admission ont une forme hélicoïdale et débouchent dans la chambre de combustion de façon non tangentielle à la paroi de la chambre de combustion bien que l'accès du ou des conduits d'admission soit situé à la périphérie de la chambre de combustion. II doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes, et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci- dessus. -8 REVENDICATIONS 1. Système d'admission à niveau d'aérodynamique optimisé et variable, associé à une chambre (9) de combustion, comprenant au moins deux conduits (1, 1') d'admission, chacun ayant un accès (7, respectivement 7') , débouchant dans la chambre (9) de combustion, dont l'ouverture est contrôlée au moins par une soupape d'admission, les deux accès (7, 7') des conduits (1, 1') d'admission étant diamétralement opposés, caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens de variation du niveau d'aérodynamique associés à chacun des conduits (1, 1') d'admission, réalisés par une levée de hauteur variable des soupapes d'admission, et en ce que les accès (7, 7') des conduits (1, 1') d'admission sont décalés radialement par rapport au centre de la chambre (9) de combustion, pour commander la variation du niveau d'aérodynamique pour au moins une même vitesse du moteur. 2. Système d'admission selon la revendication 1 caractérisé en ce que les accès (7, 7') des conduits (1, 1') d'admission dans la chambre (9) de combustion sont placés le plus proche possible de la périphérie de la chambre (9) de combustion de façon à ce qu'il existe un jeu (J) fonctionnel entre la périphérie de la chambre (9) de combustion et la périphérie des accès (7, 7') des conduits (1, 1') d'admission, permettant aux soupapes d'admission de fonctionner. 3. Système d'admission selon une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que des seconds moyens de variation du niveau d'aérodynamique sont réalisés par deux clapets (6, 6') obturateurs disposés chacun dans un conduit (1, respectivement 1') d'admission, en amont de l'accès (7, respectivement 7') à la chambre (9) de combustion. 4. Système d'admission selon la revendication 3, caractérisé en ce que le système d'admission est couplé avec deux conduits (2, 2') d'échappement débouchant dans la chambre (9) de combustion par deux accès (8, respectivement 8') dont l'ouverture est chacune contrôlée par une soupape d'échappement, les accès (8, 8') des conduits (2, respectivement 2') d'échappement étant diamétralement opposés. 5. Système d'admission selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'axe joignant le centre des accès (8, 8') des conduits (2, 2') d'échappement forme un angle droit avec l'axe joignant le centre des accès (7, 7') des conduits (1, 1') d'admission. 6. Système d'admission selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'au moins un conduit (1, 1') d'admission débouche dans la chambre (9) de combustion selon une direction tangente à la paroi de la chambre (9) de combustion. 7. Système d'admission selon une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'au moins un conduit (1, 1') d'admission débouche dans la chambre (9) de combustion selon une trajectoire hélicoïdale. 8. Système d'admission selon une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'angle formé par les clapets (6, 6') obturateurs par rapport à l'axe du conduit (1, respectivement 1') est contrôlé par des premiers moyens et des seconds moyens de commande contrôlent la levée variable des soupapes en fonction du régime. 9. Système d'admission selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'audessus d'un haut régime déterminé, les premiers moyens commandent l'angle des clapets (6, 6') à 0 et les seconds moyens commandent la levée des soupapes au maximum. 10. Système d'admission selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'au-dessous d'un bas régime déterminé les premiers moyens commandent l'angle des clapets (6, 6') à un angle maximum déterminé et les seconds moyens commandent la levée des soupapes au minimum. 11. Procédé de combustion pour un moteur à combustion interne utilisant un système d'admission selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un cycle de balayage.