Brevet FR2909716A1 — publié le 20080613

La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne comportant des moyens d'admission permettant un mouvement de giration du fluide admis dans la chambre de combustion. Elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, un moteur dont le fluide d'admission peut être de l'air suralimenté ou non, un mélange carburé ou un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés, dits EGR, éventuellement mélangé avec un carburant. Comme cela est largement connu, certains types de moteur, comme ceux à injection directe et à allumage commandé, peuvent fonctionner avec une stratification du fluide admis alors que d'autres types de moteurs, comme ceux à allumage par compression, peuvent fonctionner avec un fluide dont le mélange air et carburant ou air/EGR et carburant est homogène. Pour arriver à de tels résultats, il est prévu d'introduire le fluide d'admission dans la chambre de combustion d'une manière telle que ce fluide ait un mouvement circulaire dont l'axe de rotation est sensiblement perpendiculaire à celui du cylindre du moteur. Ce mouvement de giration est plus connu par l'homme du métier par le terme anglo-saxon de "tumble" que l'on pourrait éventuellement traduire par "rouleau". Afin d'obtenir ce mouvement de "tumble", certains types de moteurs comportent au moins un cylindre fermé par une culasse en formant une chambre de combustion, des moyens d'admission, généralement formés dans la culasse, avec une (ou plusieurs) tubulure courbe et débouchant par un orifice dans la chambre de combustion. Cette tubulure d'admission avec une courbure spécifique permet d'introduire le fluide d'admission vers la paroi du cylindre qui lui fait face de façon à ce que ce fluide s'enroule sur lui-même dans la chambre de combustion lors d'un mouvement autour de l'axe précédemment mentionné. 2909716 2 Le problème rencontré avec de tels moteurs réside dans le fait qu'il est nécessaire de concevoir des tubulures d'admission avec des courbures particulières pour chaque mouvement de "tumble" souhaité ainsi que pour chaque dimension de cylindre. 5 Cette conception exige une modification de la totalité de la culasse, dans laquelle sont généralement moulées les tubulures, et demande de prévoir une multiplicité de culasse pour chaque mouvement de "tumble". Comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet JP-A-8-4542, ce 10 problème est partiellement résolu par un moteur dont la tubulure d'admission a une courbure moyenne pouvant couvrir un domaine de moteurs avec "tumble". Une fausse tubulure, avec une direction ou un rayon de courbure répondant au "tumble" souhaité, est placée dans cette tubulure puis y est fixée par tous moyens connus. Cette fausse tubulure de forme conique comprend une 15 semelle pour sa fixation sur la culasse et une extrémité libre qui arrive au voisinage du siège de soupape. Cette solution présente l'inconvénient de nécessiter une fausse tubulure de conception compliquée et d'un coût élevé avec des moyens d'indexation directionnelle de celle-ci par rapport à la tubulure d'admission. De plus, elle 20 implique la présence de passages pour la tige de la soupape qui doit traverser la paroi de cette fausse tubulure. Ces passages génèrent des turbulences lors de l'écoulement du fluide d'admission dans cette fausse tubulure et ces turbulences peuvent perturber ou entraver le mouvement de "tumble" à l'intérieur de la chambre de combustion. 25 La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus mentionnés grâce à un moteur dont le mouvement de giration du fluide d'admission se réalise d'une manière simple et économique et cela sans entraver l'écoulement du fluide dans la tubulure d'admission. A cet effet, la présente invention concerne un moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre avec une chambre de combustion, une 30 2909716 3 culasse portant des moyens d'échappement, et des moyens d'admission comportant au moins une tubulure avec une portion courbe débouchant par un orifice dans la chambre de combustion, un moyen de giration de fluide d'admission placé dans la tubulure d'admission, et un siège de soupape pour 5 une soupape d'admission, caractérisé en ce que les moyens de giration de fluide comprennent un insert d'étendue circonférentielle partielle placé sur l'intrados de la portion courbe de ladite tubulure. Cet insert peut comprendre une étendue circonférentielle supérieure ou 10 égale à 10% et inférieure ou égale à 50 % à celle de l'étendue circonférentielle de la tubulure. Egalement, cet insert peut comprendre une surface de base terminale de section supérieure ou égale à 5% et inférieure ou égale à 50% à celle de la 15 section de la tubulure. Préférentiellement, l'insert peut être fixé dans la tubulure ou cet insert peut être porté par le siège de soupape. 20 D'une manière alternative, l'insert peut être articulé sur la tubulure. L'insert peut comprendre une surface d'appui avec la tubulure et une surface déflectrice pour la giration du fluide. 25 La surface déflectrice peut former un angle non nul avec la surface d'appui. L'insert peut comprendre un volet articulé autour d'un axe. 30 Le moteur peut comprendre des moyens de commande pour le basculement du volet. 2909716 4 Le moteur peut également comprendre une assise pour l'insert, située dans la tubulure. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître 5 maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : - la figure 1 qui est une vue partielle schématique du moteur selon l'invention; - la figure 2 qui est une vue en perspective de l'insert de la figure 1 ; 10 - la figure 3 qui est une vue semblable à celle de la figure 1 avec une coupe locale du moteur selon une première variante de l'invention ; - la figure 4 qui est une vue de dessus de l'ensemble siège de soupape/insert de la figure 3 ; -la figure 5 qui est également une vue semblable à celle de la figure 1 15 avec une coupe locale du moteur avec une autre variante du moteur selon l'invention et - la figure 6 est une vue en perspective partielle selon la flèche B d'une partie du moteur de la figure 5. 20 Sur la figure 1, le moteur à combustion interne comprend au moins un cylindre 10, d'axe longitudinal XX, fermé en partie supérieure par une culasse 12. A l'intérieur de ce cylindre est logé un piston 14 qui permet de délimiter une chambre de combustion 16 formée par la paroi latérale du cylindre, la partie de la culasse en regard du piston ainsi que la partie 25 supérieure de ce piston et à l'intérieur de laquelle est introduit un fluide pour réaliser la combustion d'un mélange carburé. Ce moteur comprend également des moyens d'admission 18, généralement portés par la culasse 12, qui comprennent au moins une tubulure d'admission 20 débouchant par un orifice 22 dans la chambre de combustion. Au niveau de l'orifice 22 est placé en outre 30 un siége de soupape 24 dont l'alésage central correspond à l'orifice 22 et qui est utilisé avec une soupape d'admission dont seul l'axe général 26 est représenté sur la figure pour des raisons de clarté. Pour loger ce siége de 2909716 5 soupape, il est habituel de réaliser un lamage 25 coaxial à l'orifice 22 et dont le fond sert d'appui pour une face plane 27 du siège de soupape. Au voisinage de cet orifice, l'axe général ZZ de la tubulure 20 présente un rayon de courbure R en formant une portion S de tubulure courbe dont la concavité est opposée au 5 cylindre 10. Cette portion S de tubulure comprend ainsi un intrados 28 proche du cylindre et un extrados 30. De plus, le moteur comprend des moyens d'échappement (symbolisés par le trait d'axe 32) qui permettent d'évacuer les gaz brûlés contenus dans la chambre de combustion. Comme cela est bien connu de l'homme du métier, 10 ces moyens d'échappement peuvent comprendre des moyens (non représentés sur la figure) semblables à ceux des moyens d'admission avec une tubulure d'échappement qui débouche dans la chambre de combustion par un orifice et une soupape apte à prendre appui à étanchéité sur un siège de soupape porté par l'orifice d'échappement. 15 La tubulure d'admission porte, au niveau de son orifice 22, un insert 32 qui permet d'introduire le fluide d'admission dans la chambre de combustion d'une manière telle que ce fluide y ait un mouvement circulaire autour d'un axe de rotation YY qui est sensiblement perpendiculaire à celui XX du cylindre du moteur. Ce mouvement de giration (symbolisé par la flèche T sur la figure 1) est 20 mieux connu par le terme de "tumble". Par fluide, il est entendu aussi bien un air suralimenté ou non suralimenté introduit dans la chambre de combustion par la tubulure pour y être ensuite mélangé avec un carburant qu'un mélange carburé à base de carburant mélangé avec de l'air suralimenté ou non, éventuellement additionné de gaz 25 brûlés recirculés. En se rapportant en plus à la figure 2, l'insert 32 présente une étendue circonférentielle C en forme de portion 34 de paroi cylindrique à section longitudinale triangulaire, de préférence rectangle. Le diamètre extérieur de cette portion correspond sensiblement à celui de la tubulure au niveau de 30 l'orifice 22. Cet insert comporte ainsi une surface d'appui 36, correspondant au petit coté du triangle, avec un rayon de courbure r1 sensiblement égal à celui de l'intérieur de la tubulure d'admission, une surface déflectrice 38 formant un 2909716 6 angle A non nul avec la surface d'appui et correspondant à l'hypoténuse du triangle avec un rayon de courbure r2, de préférence différent du rayon de courbure r1, et enfin une surface de base 40 rejoignant l'extrémité libre de la surface d'appui et celle de la surface déflectrice. Cette surface de base 5 présente, en section transversale, une section en forme de croissant de lune. L'étendue surfacique en épaisseur de cette section diminue de la surface de base 40 jusqu'à l'arête supérieure 42 de l'insert formée par la jonction des surfaces d'appui et déflectrice en étant située à une distance H de la surface de base. De plus, cet insert présente des arêtes latérales 43, sensiblement 10 perpendiculaires à l'arête supérieure 42, qui correspondent également à la jonction des surfaces d'appui et déflectrice au niveau des extrémités effilées de la forme en croisant de lune de la section transversale. De manière avantageuse, l'étendue circonférentielle C de l'insert est compris entre 10% et 50% du périmètre de l'intérieur de la tubulure au niveau 15 de la section courbe S et, de manière encore plus avantageuse, cette étendue circonférentielle est de 25% de celle de la portion courbe S. En outre, la surface de base 40 comprend une section transversale d'étendue surfacique comprise entre 5% et 50% de celle de la section transversale de la tubulure au niveau de l'orifice 22 et préférentiellement de 20 10% de la section transversale de cet orifice. Pour placer cet insert dans la tubulure du moteur, il est prévu de réaliser une assise 44 au niveau de l'orifice 22 et plus particulièrement au niveau de l'intrados de la portion courbe S qui aboutit à cet orifice. Cette assise 25 d'étendue E est rectiligne dans le sens de l'axe ZZ tout en étant courbe dans le sens circonférentiel de la tubulure et s'étend à partir du siége de soupape 24 sur une hauteur correspondant à la hauteur H de l'insert et sur une étendue circonférentielle partielle correspondant à l'étendue C de cet insert. De manière préférentielle, cette assise sera réalisée lors des opérations 30 de moulage de la culasse mais tout autre procédé opératoire peut être envisagé, comme un usinage. 2909716 7 Ainsi, l'insert est logé sur cette assise d'une façon telle que l'arête 42 soit la plus éloignée du siège de soupape, que la surface d'appui 36 soit placée sur cette assise et que la surface de base 40 soit confondue avec le plan passant par la face d'appui 27 du siége de soupape en masquant une partie de 5 l'orifice 22. Une fois mis en place, cet insert est rendu solidaire de la tubulure par tous moyens connus, comme par brasage. En fonctionnement avec la soupape d'admission en position de pleine ouverture de l'orifice 22, le fluide, tel que symbolisé par la flèche F de la 10 figure 1, circule dans la tubulure 20 selon l'axe ZZ et, dans la portion courbe S, s'écarte de cet axe sous l'effet de "rampe élévatrice" générée par la surface déflectrice 38. De par cet effet, le fluide pénètre dans la chambre de combustion en une région proche de la paroi du cylindre opposée à l'orifice et, éventuellement sous l'action conjuguée du mouvement du piston, s'enroule sur 15 lui-même autour de l'axe YY en ayant un mouvement de "tumble" illustré par la flèche T de la figure 1. L'homme du métier évaluera la hauteur H, le rayon de courbure r2 et l'angle A de cet insert de manière à réaliser le mouvement de "tumble" qu'il 20 souhaite obtenir dans la chambre de combustion. Ainsi grâce à l'invention, il suffit de disposer d'une panoplie d'inserts dont le rayon de courbure r2 ou l'angle A ou les deux sont modifiés pour pouvoir réaliser des mouvements différents de "tumble" en fonction des besoins. 25 Les figures 3 et 4 montrent une variante de l'invention pour laquelle l'insert n'est pas rapporté dans la tubulure. Dans cette variante, l'insert est réalisé dans la même pièce que le siége de soupape de façon à ce que la mise en place du siége de soupape réalise 30 également la mise en place de l'insert. Pour ce faire, la portion courbe de la tubulure comporte, comme précédemment décrit, une assise 44 sur l'intrados 28 de cette portion et le siège 2909716 8 de soupape 24 porte de façon monobloc un insert 32 dont les caractéristiques sont quasiment identiques à celle décrites en relation avec les figures 1 et 2. Cet insert comporte une étendue circonférentielle C en forme de portion de paroi cylindrique de diamètre extérieur correspondant sensiblement à celui de 5 la tubulure au niveau de l'orifice 22, une surface d'appui 36 de rayon de courbure r1 sensiblement égal à celui de l'intérieur de la tubulure d'admission, une surface déflectrice 38 formant un angle A non nul avec la surface d'appui et avec un rayon de courbure r2, et enfin une surface de base 40 présentant, en section transversale, une section en forme de croissant de lune. 10 L'insert de cette variante comprend ainsi une partie inférieure de la surface d'appui 36 qui est confondue avec une partie de la paroi de l'alésage du siége de soupape, qui est ici fusionnée avec l'orifice 22, et une surface de base 40 qui masque une partie de l'orifice 22. 15 La mise en place de l'insert s'effectue donc simultanément avec celui du siége de soupape en prenant soin de faire concorder la surface d'appui 36 avec l'assise 44. Cette variante a en outre pour avantage de ne nécessiter aucune 20 opération de fixation de cet insert dans la tubulure. Ainsi, pour pouvoir réaliser des mouvements de "tumble" différents en fonction des besoins, il suffit de disposer d'une multiplicité de siéges de soupape dans lesquels le rayon de courbure r2 de l'insert ou l'angle A ou les 25 deux sont modifiés. Les figures 5 et 6 illustrent une autre variante de l'invention où l'insert est sous la forme d'un volet 46 basculant autour d'un axe 48 sous l'effet d'un moyen de commande 50 tout en étant localisé au même endroit que 30 précédemment décrit. Ce volet comprend un flanc plan 52 avec une courbure C en forme de portion de paroi cylindrique de diamètre extérieur correspondant sensiblement à 2909716 9 celui de la tubulure au niveau de l'orifice 22. Ce volet courbe comprend deux arêtes courbes 54 et 56 et deux arêtes latérales rectilignes 58 et 60 sensiblement perpendiculaires aux arêtes courbes. Ce volet permet ainsi de délimiter une surface interne 52a en regard de l'intrados 28 de la tubulure et 5 une surface externe déflectrice 52b opposée à la surface 52a. Une articulation 64 est placée à la jonction entre l'arête courbe supérieure 54 et les arêtes latérales 58 et 60 de façon à autoriser le basculement de ce volet selon un angle A entre une position de repos (indiquée en traits pointillés sur les figures 5 et 6) et une position active (illustrée en traits forts). Pour réaliser ce 10 basculement, ce volet est soumis à un moyen de commande, comme un micromoteur dont seul l'axe de sortie 66 est montré sur la figure, lui permettant d'obtenir un basculement autour de l'axe d'articulation 48 non seulement entre les deux positions extrêmes mais aussi pour toutes les positions angulaires de basculement comprises entre ces deux positions extrêmes. 15 Pour réaliser un mouvement de "tumble", le volet est actionné en basculement en sens anti-horaire à partir de la position de repos montrée sur les figures. Dans cette position de repos, il est logé dans une assise 44 telle que décrite précédemment sans intervenir sur l'écoulement du fluide de la tubulure. Dans cette position, l'arête courbe inférieure 56 est placée au 20 voisinage de l'orifice 22 et l'arête supérieure 54 est conséquemment placée à distance de cet orifice avec une direction de l'axe de basculement 48 sensiblement perpendiculaire à celui de l'axe du cylindre 10. Pour obtenir le mouvement de "tumble" souhaité, l'arbre 66 du 25 micromoteur est commandé pour faire basculer le volet autour de son axe 48 jusqu'à obtenir l'angle A voulu. Dans cette position, le fluide circulant dans la tubulure est dévié par la surface externe 52b du volet formant surface déflectrice et pénètre dans la chambre de combustion en une région proche de la paroi du cylindre pour s'enrouler sur lui-même en ayant un mouvement de 30 "tumble". 2909716 10 Grâce à cela, il est possible d'obtenir une multiplicité de mouvements de "tumble" dans la chambre de combustion et cela même lorsque le moteur est en fonctionnement. 5 Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits mais comprend toutes variantes et tous équivalents. Notamment, il peut être prévu que la surface déflectrice de l'insert présente une surface plate dans le sens circonférentiel de la tubulure en lieu et place des surfaces déflectrices courbes, comme précédemment décrites. REVENDICATIONS 1) Moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre (10) avec une chambre de combustion (16), une culasse (12) portant des moyens d'échappement (32), et des moyens d'admission (18) comportant au moins une tubulure (20) avec une portion courbe (S) débouchant par un orifice (22) dans la chambre de combustion, un moyen de giration de fluide d'admission placé dans la tubulure d'admission, et un siège de soupape (24) pour une soupape d'admission (26), caractérisé en ce que les moyens de giration de fluide comprennent un insert (32, 46) d'étendue circonférentielle partielle (C) placé sur l'intrados (28) de la portion courbe de ladite tubulure. 2) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'insert (32, 46) comprend une étendue circonférentielle (C) supérieure ou égale à 10% et inférieure ou égale à 50 % à celle de l'étendue circonférentielle de la tubulure. 3) Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'insert comprend une surface de base (40) terminale de section supérieure ou égale à 5% et inférieure ou égale à 50% à celle de la section de la tubulure. 4) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'insert (32) est fixé dans la tubulure. 5) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'insert (32) est porté par le siège de soupape (24). 6) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce 30 que l'insert (46) est articulé sur la tubulure. 2909716 12 7) Moteur à combustion interne selon l'une des revendication 1 à 6, caractérisé en ce que l'insert comprend une surface d'appui (36) avec la tubulure et une surface déflectrice (38) pour la giration du fluide. 5 8) Moteur à combustion interne selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface déflectrice (38) forme un angle (A) non nul avec la surface d'appui (36). 9) Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce 10 que l'insert (32) comprend un volet (46) comportant une surface déflectrice (52b) et articulé autour d'un axe (64) 10) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la surface déflectrice (38, 52b) présente une surface plate 11) Moteur à combustion interne selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande (66) pour le basculement du volet (46). 20 12) Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une assise (44) située dans la tubulure (20) pour loger l'insert (32, 46). 15