Brevet FR2910541A1 — publié le 20080627

SYSTEME D'ADMISSION DE GAZ POUR LA GENERATION D'ECOULEMENT DE ROTATION ENERGETIQUE DE TUMBLE La présente invention se rapporte à un système d'admission de gaz dans au moins une chambre de combustion de moteur à combustion interne, qui comporte au moins un conduit d'admission des gaz, notamment d'air, comportant un extrados et un intrados et qui débouche dans la chambre par un orifice de sortie obturé par une soupape d'admission Dans les moteurs à essence, notamment les moteurs à injection directe, la tendance actuelle est à l'appauvrissement des mélanges carburés dans les chambres de combustion, c'est-à-dire à l'utilisation de mélanges dans lequel il y a un fort excès d'air par rapport à la quantité de carburant introduite dans le cylindre. En utilisant des mélanges plus pauvres, on stabilise l'initiation de la combustion, on limite le cliquetis et on réduit de manière importante la consommation de carburant et la production de substances polluantes résultant du carburant imbrûlé. Par ailleurs, cet apport supplémentaire d'air permet d'éviter le rejet à l'échappement de carburant imbrûlé. Pour atteindre une efficacité maximale, la distribution du mélange appauvri doit être uniforme et homogène à travers la chambre de combustion. C'est pourquoi, des mouvements aérodynamiques tourbillonnaires intenses, et plus précisément des écoulements de rotation énergétique dits de tumble , sont générés dans la chambre de combustion d'un moteur à essence. Ces mouvements de tumble résident dans la mise en rotation du flux d'air dans la chambre de combustion selon un axe parallèle à l'axe du vilebrequin. Cet enroulement de gaz provenant des conduits d'admission vient alors se heurter au piston lors de sa remontée pour se 2910541 -2-décomposer en une multitude de structures turbulentes, démultipliant la surface du front de flamme. Les solutions pour générer des tourbillons de tumble dans la chambre de combustion proposées dans l'art antérieur consistent à 5 disposer des protubérances, souvent mobiles par actionnement mécanique, dans les conduits d'admission. Cependant, pour générer les niveaux de tourbillon nécessaires, ces protubérances doivent être volumineuses et entravent de manière importante le passage des gaz d'admission. La 10 perméabilité des conduits d'admission, c'est-à-dire la capacité du conduit à faire circuler les gaz, se trouve alors fortement diminuée et les performances du moteur réduites. Des systèmes ont tenté de limiter ce phénomène de perte de perméabilité en utilisant des protubérances mobiles mais ces 15 solutions deviennent complexes mécaniquement et peu avantageuses économiquement. L'invention vise à provoquer un dilution importante et homogène du mélange dans la chambre de combustion tout en préservant les performances du moteur. 20 On propose un système d'admission de gaz du type précité dans lequel un élément générateur de tumble est disposé dans le conduit d'admission au niveau de l'intrados, à proximité du siège de soupape. Suivant des modes particuliers de réalisation, le système 25 d'admission de gaz comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : l'élément générateur de tumble est fixe et solidaire de la culasse, ce qui est particulièrement avantageux économiquement ; 30 l'élément générateur de tumble est disposé sur l'intrados sur une étendue angulaire comprise entre 105 et 135 ; l'élément générateur de tumble présente une section longitudinale en forme de demi tore ; 2910541 -3 - le rapport entre le rayon du demi tore et le rayon du conduit d'admission est compris dans l'intervalle [3%, 8%], pour limiter la diminution de la section du conduit ; - l'élément générateur de tumble est disposé sur l'intrados 5 à une distance du siège de soupape comprise entre [1 mm, 3mm] et de préférence à 2mm. l'élément générateur de tumble est obtenu par moulage dans un moule à noyau de sable, permettant la réalisation économique d'une tel élément générateur de tumble. 10 L'invention concerne également un moteur à combustion interne comportant un système d'admission de gaz selon l'invention disposé dans la culasse pour la génération de mouvements tourbillonnaires de tumble dans la chambre de combustion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 15 apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante du mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en liaison avec les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un conduit d'admission selon l'invention; 20 la figure 2 est une vue en transparence de dessus de conduits d'admission selon l'invention ; la figure 3 est un détail de la coupe de la figure 1 ; les figures 4A et 4B présentent respectivement une comparaison du taux de tumble et de la perméabilité en 25 fonction de la levée de soupape pour des conduits non modifiés et des conduits selon l'invention. Afin de faciliter la compréhension de la description, on utilisera une orientation amont , aval correspondant à la direction générale d'écoulement des gaz dans le système 30 d'admission. La figure 1 présente un conduit d'admission 10 selon l'invention suivant une coupe longitudinale d'une culasse. Ce conduit d'admission 10 permet d'amener des gaz de la gauche de la figure, à partir d'un répartiteur d'admission, non 2910541 -4 représenté, jusque dans une chambre de combustion 20, en bas à droite de la figure, pour participer à la combustion par un orifice de sortie de conduit d'admission 11. Ce conduit 10 présente un extrados 12, la paroi supérieure 5 sur la figure, et un intrados 13, la paroi inférieure sur la figure. Un orifice 14 est formé dans l'extrados 12 pour loger une queue de soupape, dans lequel elle coulisse, et qui commande une soupape, non représentée. La soupape est alors mobile en translation pour obturer ou 10 ouvrir l'orifice de sortie de conduit d'admission 11, ce qui permet de réguler la quantité de gaz admis dans la chambre de combustion 20. Dans les phases de fonctionnement du moteur pour lesquelles les gaz d'admission ne pénètrent pas dans la chambre de combustion 20, la soupape repose sur un siège de soupape 15 à 15 l'extrémité aval du conduit d'admission 10, au niveau de son orifice de sortie 11. L'étanchéité est assurée par la complémentarité des formes de la face amont de la soupape et la face aval du siège de soupape 15. Puis, la soupape se translate vers l'aval et pénètre 20 progressivement dans la chambre de combustion 20 en fonction de la commande. On définie alors une levée de soupape qui représente le degré de translation de la soupape dans le cylindre 20 pour permettre l'introduction des gaz. Selon l'invention, un élément générateur de tumble 16 est 25 disposé dans la partie aval du conduit d'admission 10 et préférentiellement à proximité du siège de soupape 15. On place cet élément 16 sur l'intrados 13 du conduit d'admission 10, on le qualifie alors de tremplin de tumble . Cet élément 16 est fixe et solidaire de la culasse. 30 Ce tremplin de tumble 16 présente une forme adaptée qui permet à la fois de générer des turbulences tourbillonnaires de tumble et à la fois de ne pas entraver de manière significative la circulation des gaz dans le conduit d'admission. 2910541 -5- Selon un mode préféré de l'invention, le tremplin 16 présente selon une coupe longitudinale du conduit d'admission 10, une section en forme de demi tore. On peut également utiliser d'autres formes géométriques qui 5 présentent des arêtes arrondies, telles que des sections en forme de demi ellipse par exemple. L'élément 16 peut aussi présenter des faces amont et aval différentes, tout en conservant de préférence l'arête amont arrondie. Sur la figure 2 sont représentés deux conduits d'admission 10 10 de gaz dans une chambre de combustion 20 conformément à l'invention. Sur cette figure, on peut observer la proximité de ces tremplins 16, des sièges de soupape 15. De manière plus précise, l'encart montre l'étendue angulaire des tremplins 16 sur la circonférence des conduits d'admission 10. 15 Selon le mode de réalisation représenté, l'étendue angulaire est avantageusement de 120 . Une telle valeur permet de maximiser la répartition de l'élément 16 dans le conduit d'admission 10 tout en permettant de réaliser ces tremplins 16 économiquement par une modification du moule à noyau de sable. 20 Un tel procédé de fabrication est particulièrement économique et reproductible et nécessite de réaliser le tremplin de tumble sur un côté du moule uniquement tout en se laissant un marge de sécurité, de 30 latéralement ici. Pour les raisons précitées, et pour des soucis d'optimisation, 25 l'étendue angulaire du tremplin de tumble 16 sur la circonférence des conduits 10 sera comprise dans l'intervalle [105, 135 ]. La figure 3 est une représentation détaillée de la coupe de la figure 1 qui détaille les dimensions et la localisation de l'élément 16. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément 30 16 a une forme de demi tore dont le rayon est choisi en fonction de la diminution de la section du conduit 10 admise. On choisit alors un rapport entre le rayon du demi tore et le rayon de l'orifice de sortie du conduit 11 compris dans l'intervalle [3%, 8%]. Ce rapport de dimension doit en effet être contenu pour 2910541 -6 ne pas trop diminuer la section du conduit 10 qui affecte sa perméabilité. Selon ce mode de réalisation préféré, l'élément 16 est placé à une distance comprise dans l'intervalle [1 mm, 3mm] du siège de 5 soupape et préférentiellement à une distance de 2mm. Les figures 4A et 4B présentent respectivement les variations relatives du tumble et de la perméabilité en fonction de la levée de soupape d'un système d'admission de gaz pour des conduits selon l'invention par rapport à des conduits d'admission non modifiés, 10 c'est-à-dire sans élément générateur de tumble 16. Ces graphiques présentent plus particulièrement, des résultats d'un mode de réalisation préféré de l'invention, qui sont optimisés pour des levées de soupape comprises entre 60 et 70% de la levée de soupape maximale. 15 Pour de faibles valeurs de levée de soupape, c'est-à-dire jusqu'à 50% de la valeur de levée de soupape maximum, le tumble généré par les conduits selon l'invention est proche du tumble généré dans des conduits non modifiés. Puis, à partir d'une levée de soupape supérieure à 50% de la 20 levée de soupape maximale, on assiste à une augmentation du tumble généré par les conduits objets de l'invention par rapport aux conduits non modifiés. Cette amélioration augmente avec la levée de soupape jusqu'à atteindre une augmentation de 35% pour une levée de 25 soupape correspondant à environ 90% de la levée de soupape maximale. Parallèlement, la figure 4B montre que pour des valeurs de levée de soupape inférieure à 50% de la valeur de levée de soupape maximum, la perméabilité des conduits selon l'invention est égale à 30 celle des conduits non modifiés Puis à partir d'une levée de soupape supérieure à 50% de la valeur de levée de soupape maximum, la perméabilité des conduits selon l'invention devient inférieure à celle des conduits non 2910541 -7-modifiés, c'est-à-dire que la quantité de gaz admis dans le cylindre est moindre que dans le cas de conduits non modifiés. Dans la plage de levée de soupape optimisée, comprise entre 60 et 70% de levée de la levée de soupape maximale, la 5 dégradation de la perméabilité est faible et comprise entre 1,5 et 3% pour une augmentation relative du tumble comprise entre 18 et 22%. Les réalisations décrites précédemment ne sont pas limitatives, l'invention pouvant trouver application à différents types de conduits d'admission. 10 En particulier, des conduits d'admission selon l'invention peuvent être disposés dans des culasses comportant des nombres de conduits d'admission différents ainsi que dans des moteurs fonctionnant avec d'autres types de carburant dans lesquels on souhaite générer des mouvements de tumble. REVENDICATIONS 1) Système d'admission de gaz (1) dans au moins une chambre de combustion (20) de moteur à combustion interne, qui comporte au moins un conduit d'admission des gaz (10), notamment d'air, comportant un extrados (12) et un intrados (13) et qui débouche dans la chambre (20) par un orifice de sortie (11) obturé par une soupape d'admission caractérisé en ce qu'un élément générateur de tumble (16) est disposé dans le conduit d'admission (10) au niveau de l'intrados (13), à proximité du siège de soupape (15). 2) Système d'admission de gaz (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément générateur de tumble (16) est fixe et solidaire de la culasse. 3) Système d'admission de gaz (1) selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'élément générateur de tumble (16) est disposé sur l'intrados (13) sur une étendue angulaire comprise entre 105 et 135 . 4) Système d'admission de gaz (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément générateur de tumble présente une section longitudinale en forme de demi tore. 5) Système d'admission de gaz (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le rapport entre le rayon du demi tore et le rayon du conduit d'admission (10) est compris dans l'intervalle [3%, 8%]. 2910541 -9 6) Système d'admission de gaz (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément générateur de tumble (16) est disposé sur l'intrados (13) à une distance du siège de soupape (15) comprise entre [1 mm, 3mm] et de 5 préférence à 2mm. 7) Système d'admission de gaz (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément générateur de tumble (16) est obtenu par moulage dans un moule à 10 noyau de sable. 8) Moteur à combustion interne comportant un système d'admission de gaz (1) suivant l'une des revendications précédentes disposé dans la culasse pour la génération de mouvements 15 tourbillonnaires de tumble dans la chambre de combustion (20).