Brevet FR2986261A1 — publié le 20130802

SYSTEME D'ADMISSION ET D'ECHAPPEMENT DE GAZ D'UNE CHAMBRE DE COMBUSTION D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE pool La présente invention concerne une chambre de combustion de moteur à combustion interne, notamment à injection directe. Elle s'intéresse plus particulièrement au système d'admission et d'échappement des gaz associé à la chambre de combustion. Elle concerne aussi le moteur à combustion interne lui même, de type essence ou Diesel, de véhicule, en particulier de véhicule automobile, comportant un système, et elle concerne aussi tout véhicule intégrant un tel moteur. [0002] Les moteurs à combustion interne comportent de manière connue un carter dans lequel sont disposés des cylindres, des pistons venant coulissant par des mouvements de va-et-vient dans ces cylindres et une culasse venant fermer l'extrémité supérieure du carter. [0003] La culasse comprend généralement pour chaque cylindre des conduits d'admission et d'échappement obturés sélectivement par respectivement au moins une soupape d'admission et au moins une soupape d'échappement. [0004] Un injecteur de carburant est également logé dans la culasse en regard de chacun des cylindres, cet injecteur débouche dans la partie inférieure de la culasse en regard du cylindre, et peut être disposé approximativement au centre de celui-ci et à l'aplomb de la tête de piston en position haute, ou être déporté latéralement par rapport à celle-ci. [0005] Les pistons sont conformés pour présenter sur leur surface supérieure orientée vers la culasse une cavité centrale en forme de bol profilé, entourée d'une zone dite de chasse. Pour chaque cylindre, la chambre de combustion est ainsi formée par la surface de la culasse en regard du cylindre, la paroi supérieure cylindrique du carter orientée vers la culasse et la surface supérieure du piston en position haute. De la forme de la chambre de combustion dépend la qualité du mélange carburant-air, et donc la qualité de la combustion. [0006] Dans la configuration habituelle de chambre de combustion mentionnée plus haut, les soupapes associées aux conduits d'admission et d'échappement débouchent toutes les deux au-dessus de la chambre de combustion. Elles présentent généralement un axe de coulissement incliné par rapport à l'axe de coulissement du piston, en étant disposées symétriquement de part et d'autre de l'axe du cylindre au-dessus de celui-ci. [0007] Cette configuration présente des inconvénients : en effet, les têtes de soupape devant être logées toutes les deux en partie supérieure de la chambre de combustion, il est nécessaire d'en limiter le diamètre pour des raisons de contraintes dimensionnelles sur le cylindre. Or, la section de passage des conduits est conditionnée par le diamètre des sièges de soupape et par leur course. En conséquence, on ne peut augmenter librement la section de passage des conduits, et on ne peut donc pas, au-delà d'une certaine limite, augmenter les débits de gaz entrant dans ou sortant de la chambre de combustion. On ne peut pas non, plus, au-delà d'une certaine limite, diminuer encore le volume mort de la chambre de combustion, du fait de ces contraintes dimensionnelles. En outre, la présence des soupapes au-dessus de la chambre de combustion offre peu de liberté pour moduler / diminuer l'encombrement du moteur selon l'axe z du véhicule (c'est-à-dire selon l'axe de la hauteur, une fois le moteur monté dans un véhicule). mos] Des solutions au moins partielles ont déjà été envisagées pour simplifier l'agencement des systèmes d'admission/échappement, notamment pour ne conserver qu'une soupape, qui assure la communication fluidique entre la chambre de combustion et, soit le conduit d'admission, soit le conduit d'échappement, en association avec des vannes de type vannes dites « tiroir » équipant chacun des conduits, comme cela est décrit notamment dans le document DE- 3608925. Le document GB-191209183 va plus loin, en n'utilisant plus de soupape, et en ayant recours à deux vannes dites « tiroirs » concentriques, permettant la communication fluidique sélective chambre de combustion/conduit d'admission et chambre de combustion/conduit d'échappement par un passage commun pour les deux types de gaz. [0009] Cependant, cette configuration de vanne commune n'est pas dénuée d'inconvénients, notamment sur le plan thermique : cette vanne double doit supporter à la fois des températures de gaz d'admission qui peuvent être à température ambiante, et des températures de gaz d'échappement qui atteignent plusieurs centaines de degrés, ce qui conduit à des problèmes de dilatation thermique de la vanne double susceptible d'entraîner son dysfonctionnement. En outre, cette double vanne a une commande unique, ne permettant pas de piloter de façon indépendante l'ouverture/la fermeture de la chambre et l'acheminement soit des gaz d'admission du conduit ad hoc vers la chambre soit l'évacuation des gaz d'échappement hors de celles-ci vers le conduit ad hoc. polo] L'invention a alors pour but d'améliorer les systèmes d'admission et d'échappement de gaz pour une chambre de combustion de moteur interne, amélioration visant notamment à permettre plus de flexibilité dans le dimensionnement et le pilotage desdits systèmes ainsi que dans la configuration même de la chambre de combustion, sans induire de problèmes de mise en oeuvre, notamment sur le plan thermique ou mécanique. pou ] L'invention a tout d'abord pour objet un système d'admission et d'échappement de gaz d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, qui comprend : - un conduit d'admission de gaz, - un conduit d'échappement de gaz, - un conduit commun dans lequel viennent déboucher lesdits conduits d'admission et d'échappement et qui est en communication fluidique avec la chambre de combustion par un orifice d'admission/échappement pratiqué dans ladite chambre, - des moyens de répartition disposés au moins en partie à l'intersection des trois conduits afin d'acheminer sélectivement les gaz d'admission du conduit d'admission vers le conduit commun et les gaz d'échappement du conduit commun vers le conduit d'échappement, et - des moyens d'ouverture/fermeture de l'orifice de ladite chambre disposés en aval des moyens de répartition et comprenant une vanne, lesdits moyens de répartition et lesdits moyens d'ouverture/fermeture étant distincts. [0012] On comprend au sens de l'invention par le terme « aval », le fait que les moyens d'ouverture/fermeture se situent après les moyens de répartition, par convention, en considérant la direction du cheminement des gaz d'admission du conduit d'admission vers la chambre de combustion. [0013] L'invention propose ainsi un système qui peut être complètement dépourvu de soupapes, avec une plus grande liberté dans le choix de la section d'ouverture de la chambre de combustion, une plus grande liberté dans la configuration de celle-ci, et dans l'encombrement spatial du groupe motopropulseur dans son ensemble. La chambre de combustion peut n'avoir plus qu'un seul orifice commun à l'admission et à l'échappement, généralement situé en partie haute de la chambre, ce qui en simplifie la conception, notamment au niveau de la culasse. [0014] Dissocier structurellement les moyens répartiteurs et les moyens d'ouverture/fermeture permet de supprimer ou tout au moins de limiter au mieux les risques de dégradation de ces moyens pour des raisons de comportement thermique au vu des grandes différences de température entre les gaz d'admission et les gaz d'échappement. Ainsi, les moyens disposés en aval, à savoir les moyens d'ouverture/fermeture peuvent être conçus de façon plus robuste sur le plan thermique que les moyens, tandis que le niveau d'exigence sur le plan thermique peut être moins élevé sur les moyens répartiteurs : les 2 9 862 6 1 4 moyens d'ouverture/fermeture juste en partie haute de la chambre de combustion supportent les températures les plus élevées. [0015] Le pilotage des moyens de répartition et d'ouverture/fermeture se fait par une unité de contrôle non représentée, celle qui, par ailleurs assure le contrôle 5 commande du moteur dans son ensemble. [0016] De préférence, les moyens de répartition et les moyens d'ouverture/fermeture sont actionnables de façon couplée ou indépendamment les uns des autres. Ils peuvent, notamment, être actionnables indépendamment quand les uns sont actionnés par un moteur électrique et les autres de façon 10 mécanique par le vilebrequin, ou par deux moteurs électriques distincts. Ils peuvent aussi être actionnés de façon couplée, par exemple en étant conjointement actionnés mécaniquement par le vilebreqin. [0017] Le fait de dissocier la commande des moyens de répartition et des moyens d'ouverture/fermeture permet un pilotage plus fin des 15 admissions/échappement de gaz dans la chambre, [0018] [0019] De préférence, les moyens de répartition comprennent une pièce mobile disposée selon l'axe longitudinal du conduit commun et apte à pivoter autour dudit axe entre deux positions extrêmes, notamment à 180° l'une de l'autre. L'une 20 des positions autorise alors l'acheminement des gaz d'admission du conduit d'admission vers le conduit commun, et l'autre position l'acheminement des gaz d'échappement du conduit commun vers le conduit d'échappement, sans interférence entre les deux écoulements de gaz. [0020] Avantageusement, ladite pièce mobile a une enveloppe sous forme d'un 25 demi-cylindre dont la section est ajustée à celle du conduit commun : selon son positionnement angulaire par rapport au conduit, elle vient « boucher » le conduit d'admission ou le conduit d'échappement par sa partie bombée, les conduits d'admission et d'échappement étant de préférence, au voisinage du conduit commun, rectilignes et orientés perpendiculairement à l'axe du conduit commun. 30 [0021] Selon un mode de réalisation, la pièce mobile des moyens de répartition est munie d'un levier d'actionnement qui débouche hors du conduit commun. [0022] La pièce mobile des moyens de répartition est actionnable en rotation, notamment par l'intermédiaire du levier en question, par un moyen d'actionnement choisi parmi un moteur électrique ou par le vilebrequin lui-même. 35 [0023] De préférence, les moyens d'ouverture/fermeture comprennent une vanne logée dans la partie haute de la chambre de combustion et autorisant ou non la communication fluidique entre le conduit commun et l'orifice d'admission/échappement de la chambre de combustion. Alternativement, elle peut être logée dans le conduit commun ou dans tout conduit intermédiaire situé entre le conduit commun et l'orifice d'admission/échappement de la chambre de combustion. [0024] Avantageusement, la vanne peut comprendre un corps cylindrique creux mobile apte à coulisser en rotation dans une cavité cylindrique fixe, ledit corps cylindrique creux étant en communication fluidique avec le conduit commun, ladite cavité étant munie d'une fenêtre en regard de l'orifice d'admission /échappement de la chambre de combustion, ledit corps cylindrique étant également muni d'une fenêtre de façon à ce que, selon le positionnement angulaire relatif entre le corps cylindrique creux et la cavité, il y ait ou non superposition au moins partielle de la fenêtre du corps creux et de la fenêtre de la cavité. [0025] On a donc communication fluidique quand l'orifice d'admission/échappement fixe de la chambre de combustion, la fenêtre fixe de la cavité cylindrique et la fenêtre du corps creux mobile sont en regard. On peut ensuite moduler le débit entrant ou sortant de la chambre par cette vanne selon que les fenêtres sont en exacte coïncidence ou seulement en coïncidence partielle. [0026] La vanne des moyens d'ouverture/fermeture peut être actionnable par rotation, notamment par l'intermédiaire d'un levier, par un moyen d'actionnement choisi parmi un moteur électrique ou par le vilebrequin lui-même. [0027] L'invention a également pour objet le moteur à combustion interne comprenant au moins une chambre de combustion associée au système d'admission/échappement. [0028] L'invention a également pour objet un véhicule, en particulier un véhicule automobile, qui comporte un moteur à combustion interne tel que décrit plus haut. [0029] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'un exemple de réalisation, non limitatif, accompagné de dessins dans lesquels : - la figure 1 représente la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne associée à son système d'admission/échappement selon l'invention, en coupe selon un plan passant par l'axe longitudinal de ladite chambre, - la figure 2 est une coupe selon un premier axe AA des éléments de la figure 1, 35 - la figure 3 est une coupe selon un second axe BB des éléments de la figure 1, - la figure 4 est une vue cavalière de la partie haute de la chambre de combustion selon les figures précédentes, associée aux moyens d'ouverture/fermeture du système d'admission/échappement, - les figures 5, 6 et 7 représentent des vues selon différents angles de la vanne des moyens d'ouverture/fermeture selon la figure précédente, - la figure 8 représente une vue en perspective des moyens de répartition du système d'admission/échappement, - les figures 9a à 9d représentent la chambre de combustion et son système d'admission/échappement associé selon la figure 1, dans les différentes étapes 10 d'un cycle de combustion du moteur. [0030] Toutes ces figures sont volontairement très schématiques et ne sont pas nécessairement à l'échelle pour en simplifier la lecture. Seuls les composants du moteur intéressant plus particulièrement l'invention sont en outre représentés. Les mêmes références désignent les mêmes composants d'une figure à l'autre. 15 [0031] Des libertés ont également été prises pour rendre les figures plus claires, ce qui est le cas notamment des figures 9a à 9d où les conduits d'admission et d'échappement ont été représentés coupés selon un plan passant par leurs axes longitudinaux. [0032] La figure 1 représente la chambre de combustion C d'un moteur à 20 combustion interne à essence, définie par un cylindre 1 pourvu d'un alésage et fermé à son extrémité supérieure par une culasse 2. Un piston 3 coulisse, de façon connue, dans l'alésage du cylindre 1 par un mouvement de va-et-vient selon son axe AA. En position haute, la tête du piston 3 contribue à délimiter une chambre de combustion pour le mélange air-carburant, avec le haut de l'alésage 25 et la surface en regard de la culasse 2. [0033] Les figures 2, 3 et 4 seront décrites conjointement avec la figure 1. La figure 2 représente en outre l'injecteur 4 apte à projeter le carburant en direction du bol du piston 3, de façon connue. Les figures 1 à 4 ne représentent pas de bougie d'allumage, le moteur pouvant être indifféremment, pour l'invention, un 30 moteur à essence ou un moteur diesel. [0034] Conformément à l'invention, la partie haute de la chambre à combustion C présente un unique orifice 5 pratiqué dans la culasse et apte à assurer à la fois l'admission d'air et l'évacuation des gaz d'échappement. Cet orifice peut présenter différentes géométries de section et avoir différents dimensionnements. 35 II peut être disposé au droit de l'axe longitudinal de la chambre de combustion, la chambre pouvant alors présenter une paroi supérieure substantiellement plane ou, à tout le moins, moins bombée que dans les solutions antérieures avec deux 2 98626 1 7 conduits associés chacun à une soupape (on obtient ainsi une minimisation du volume mort de la chambre). Cet orifice 5 est obturé quand la chambre de combustion doit être fermée à l'aide de moyens d'ouverture/fermeture 6, qui seront décrits en détails à l'aide des figures 5 à 7. Comme représenté aux figures 5 1,3 et 4, des moyens de répartition 7 permettent de diriger sélectivement les gaz provenant du conduit d'admission vers ces moyens d'ouverture/fermeture 6 ou d'évacuer les gaz d'échappement de ces moyens d'ouverture/fermeture vers le conduit d'échappement. Le pilotage indépendant de ces moyens d'ouverture/fermeture 6 et de répartition 7 permet de gérer l'écoulement gazeux de et vers la chambre de combustion aux différents stades du cycle de combustion, en contrôlant les débits et la nature des gaz entrants et sortants, comme détaillé plus loin. [0035] Les figures 5 à 7 détaillent la structure des moyens d'ouverture/fermeture 6 : ils comportent une vanne sous forme d'un fourreau cylindrique 8 pratiqué en partie haute du carter, dans la culasse 2, dans lequel est apte à tourner en rotation un corps creux cylindrique 9 de même axe et de dimensionnement approprié pour qu'il puisse tourner avec frottement dans le fourreau. Le fourreau 8 et le corps 9 sont tous les deux munis d'une fenêtre 10, 10' de taille identique, sensiblement rectangulaire, de façon à ce que, dans une position angulaire donnée du corps 9 dans le fourreau 8, les deux fenêtres 10,10' soient en coïncidence et au droit de l'orifice 5 de la chambre de combustion. L'orifice 5 peut être de même taille et forme que les fenêtres 10,10' ou non. De préférence, il est sensiblement de même taille et même forme. La rotation du corps 9 est commandée par un moteur électrique non représenté par l'intermédiaire d'un levier 11 solidaire du corps 9 et débouchant hors du fourreau 8. D'autres types de vanne peuvent être envisagés, dans la mesure où l'on n'a pas recours à des soupapes. [0036] On voit notamment des figures 1 et 7 que la partie du corps 9 opposée au levier 11 est en communication avec les moyens de répartition 7, plus précisément décrits aux figures 3 et 8 : Ceux-ci sont situés à l'intersection entre le conduit d'admission 12 et le conduit d'échappement 13 et incluent un conduit commun cylindrique 14 dans lequel lesdits conduits 12 ,13 débouchent perpendiculairement à celui-ci. Dans le conduit commun 14, est disposée une pièce mobile 15 sous forme d'un demi-cylindre de dimensions ajustées pour pouvoir tourner avec frottement dans le conduit 14. Cette pièce mobile est munie d'un levier 16 débouchant hors du conduit commun 14, par l'intermédiaire duquel elle est actionnable par un moteur électrique non représenté (le même, ou un moteur différent du, moteur actionnant le corps 9). Selon la position angulaire de la pièce mobile 15 par rapport au conduit 14, celle-ci vient sélectivement mettre en communication fluidique, soit le conduit d'admission 12, soit le conduit d'échappement 13, avec la chambre de combustion C, quand les moyens d'ouverture/fermeture 6 autorisent eux-mêmes l'ouverture de la chambre de combustion C via son orifice 5. On peut considérer que le conduit commun 14 faite en fait partie des moyens de répartition de l'invention, en combinaison avec la pièce mobile 15. [0037] Les figures 9a à 9d expliquent le fonctionnement de la chambre de combustion lors d'un cycle de combustion : - à la figure 9a, le piston 3 est en position haute et l'échappement est total : les moyens d'ouverture/fermeture 6 sont en position ouverte, et les moyens de répartition 7, par la position de la pièce 15, donne accès aux gaz d'échappement de la chambre de combustion C au conduit d'échappement 13, - à la figure 9b, le piston 3 descend, les moyens d'ouverture/fermeture 6 sont encore ouverts, et le positionnement de la pièce 15 autorise l'accès aux gaz d'admission du conduit 12 à la chambre de combustion C, - à la figure 9c, le piston 3 remonte, les moyens d'ouverture/fermeture 6 se ferment, - à la figure 9d, les moyens d'ouverture/fermeture 6 sont encore fermés, il y a explosion et le piston 3 descend. [0038] Les moyens d'ouverture/fermeture 6 se trouvent dans une zone généralement plus chaude que les moyens de répartition 7, ils sont donc prévus pour être aptes à supporter des températures plus élevées. On peut ainsi choisir pour les moyens répartiteurs, notamment pour sa pièce mobile, des matériaux différents. [0039] En conclusion, l'invention permet d'utiliser un unique orifice d'admission/échappement, de se passer de soupapes, et de découpler la fonction de répartition de la circulation des gaz »frais » et des gaz d'échappement, de la fonction d'ouverture/fermeture de la chambre en partie haute. Le système de l'invention est compact et efficace. Il se pilote par l'unité de contrôle commande du moteur. Naturellement, d'autres moyens de répartition et d'ouverture/fermeture équivalents à ceux décrits dans les figures peuvent être utilisés. REVENDICATIONS1. Système d'admission et d'échappement de gaz d'une chambre de combustion (C) d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce que ledit système comprend : - un conduit d'admission de gaz (12), - un conduit d'échappement de gaz (13), - un conduit commun (14) dans lequel viennent déboucher lesdits conduits d'admission et d'échappement et qui est en communication fluidique avec la chambre de combustion par un orifice d'admission/échappement (5) pratiqué dans ladite chambre, - des moyens de répartition (7) disposés au moins en partie à l'intersection des trois conduits afin d'acheminer sélectivement les gaz d'admission du conduit d'admission vers le conduit commun et les gaz d'échappement du conduit commun vers le conduit d'échappement, et - des moyens d'ouverture/fermeture (6) de l'orifice de ladite chambre disposés en aval des moyens de répartition et comprenant une vanne (8,9), lesdits moyens de répartition et lesdits moyens d'ouverture/fermeture étant distincts. 2. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens d'ouverture/fermeture (6) et les moyens de répartition (7) sont 20 actionnables de façon couplée ou indépendamment les uns des autres. 3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de répartition (7) comprennent une pièce mobile (15) disposée selon l'axe longitudinal du conduit commun (14) et apte à pivoter autour dudit axe 25 entre deux positions extrêmes, notamment à 180°1'u ne de l'autre. 4. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la pièce mobile (15) des moyens de répartition (7) a une enveloppe sous forme d'un demi-cylindre dont la section est ajustée à celle du conduit commun. 30 5. Système selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la pièce mobile (15) des moyens de répartition (7) est munie d'un levier d'actionnement (16) qui débouche hors du conduit commun. 35 6. Système selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la pièce mobile (15) des moyens de répartition (7) est actionnable en rotation,notamment par l'intermédiaire d'un levier (16), par un moyen d'actionnement choisi parmi un moteur électrique ou par le vilebrequin lui-même. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'ouverture/fermeture (6) comprennent une vanne (8,9) logée dans la partie haute de la chambre de combustion (C) et autorisant ou non la communication fluidique entre le conduit commun (14) et l'orifice d'admission/échappement (5) de la chambre de combustion. 8. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la vanne comprend un corps cylindrique creux (9) mobile apte à coulisser en rotation dans une cavité cylindrique fixe (8), ledit corps cylindrique creux étant en communication fluidique avec le conduit commun (14) , ladite cavité (8) étant munie d'une fenêtre (10) en regard de l'orifice d'admission /échappement de la chambre de combustion, ledit corps cylindrique étant également muni d'une fenêtre (10') de façon à ce que, selon le positionnement angulaire relatif entre le corps cylindrique creux (9) et la cavité (8) , il y ait ou non superposition au moins partielle de la fenêtre du corps creux et de la fenêtre de la cavité. 9. Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le corps cylindrique creux (9) mobile des moyens d'ouverture/fermeture (6) est actionnable par rotation, notamment par l'intermédiaire d'un levier (11), par un moyen d'actionnement choisi parmi un moteur électrique ou par le vilebrequin lui-même. 10. Moteur à combustion interne comprenant au moins une chambre de combustion (C ) associée à un système d'admission/échappement selon l'une des revendications précédentes.30