Brevet FR3092613A1 — publié le 20200814

Description Titre de l'invention : Soupape d'admission pour moteur Diesel [0001] L'invention a trait à une soupape d'admission de moteur Diesel. Plus particu- lièrement, l'invention a trait à une soupape d'admission agencée de manière à améliorer la combustion dans les cylindres du moteur. [0002] L'industrie automobile cherche continuellement à améliorer différents paramètres du moteur Diesel tels que le rendement de combustion, la consommation du carburant et/ ou à réduire l'émission des polluants par le moteur en raison de l'évolution de plus en plus stricte des normes de dépollution. [0003] Une des solutions proposées aux moteurs Diesel à injection directe est d'entretenir une turbulence élevée de l'air lors de l'injection du carburant. Pour ce faire, la structure du conduit d'admission est. modifiée de manière que l'air introduit dans la chambre de combustion soit imprimé d'un mouvement tourbillonnaire de rotation autour de l'axe principal du cylindre, encore appelé le mouvement de « swirl » en anglais. [0004] Toutefois, les contraintes thermiques et les contraintes liées à la structure du moteur empêchent une modification importante de la géométrie du conduit d'admission, ce qui ne permet pas de provoquer un niveau de turbulence suffisante en vue d'obtenir un résultat satisfaisant. [0005] Par ailleurs, afin de réduire l'émission des polluants produits lors de combustion, notamment des oxydes d'azote « NOx », le moteur Diesel est généralement équipé d'un système de recirculation des gaz d'échappement, encore appelé EGR pour « Exhaust Gaz Recirculation » en anglais. [0006] Cependant, la réintroduction du gaz d'échappement, ou gaz recirculé, dans le circuit d'admission tend à réduire le rendement de combustion. En effet, le mélange d'air et de gaz recirculé a une vitesse de propagation moins élevée que de l'air frais, car la masse volumique du gaz recirculé est différente de celle de l'air frais. Cette réduction de vitesse de propagation du mélange réduit la vitesse de combustion, ce qui risque de retarder la combustion et de réduire ainsi le rendement de combustion. [0007] Par conséquent, dans le cas des moteurs Diesel équipés d'un système EGR, l'émission des polluants diminue, mais le rendement du moteur n'est pas aussi bon qu'un moteur dépourvu du système EGR. [0008] Un but de la présente invention est de répondre aux inconvénients de l'art antérieur mentionné ci-dessus et en particulier, de proposer une amélioration de la combustion dans le cas d'un moteur Diesel simple, ou de maintenir une bonne combustion dans le cas d'un moteur Diesel équipé d'un système EGR tout en permettant de réduire davantage l'émission des polluants, tels que des oxydes d'azote. [0009] Pour cela, un premier aspect de l'invention concerne unc soupape d'admission de 2 moteur Diesel de véhicule automobile, comprenant une tige de soupape d'axe lon- gitudinal L et une tête de soupape destinée à ouvrir ou à fermer une chambre de combustion du moteur Diesel. [0010] Selon l'invention, la soupape comprend un filet hélicoïdal disposé au moins en partie sur la tige de soupape. [0011] Autrement dit, la soupape comprend un filet hélicoïdal et au moins une partie dudit filet est disposée sur la tige de soupape. [0012] La solution proposée permet de résoudre les problèmes précités. En effet, l'air venant du conduit d'admission emprunte le couloir délimité entre deux sommets consécutifs du filet hélicoïdal en descendant dans la chambre de combustion. En d'autres termes, l'air d'admission suit la trajectoire d'un tourbillon formé par le filet hélicoïdal. [0013] Ainsi, grâce au filet hélicoïdal, le mouvement tourbillonnaire de rotation de l'air de type « swirl » dans la chambre de combustion est accentué. Par conséquent, le mélange d'air et de carburant est davantage facilité, et donc plus homogène. Une telle amélioration du mélange d'air et de carburant permet de réduire la consommation du carburant ainsi que l'émission des polluants par le moteur. [0014] De plus, lorsque le moteur Diesel est équipé d'un système EGR, l'augmentation du mouvement tourbillonnaire permet d'accroître la vitesse du mélange d'air et de carburant dans la chambre de combustion. Par conséquent, la vitesse de combustion du moteur Diesel est remontée à une valeur équivalente de celle d'un moteur Diesel sans le système EGR. Ainsi, grâce à l'invention, le moteur Diesel équipé du système EGR émet moins de polluants, notamment moins d'oxydes d'azote, par rapport à un moteur Diesel sans le système EGR, tout en ayant une performance équivalente. [0015] Par ailleurs, l'augmentation du mouvement tourbillonnaire dit de « swirl » générée par la soupape selon l'invention accentue la turbulence et accroît ainsi l'énergie cinétique de turbulence (désignée par l'acronyme « TKE » pour Turbulent Kinetic Energy en anglais) dans la chambre de combustion. Cette énergie cinétique de turbulence augmentée se traduit sous forme de la formation des micro-turbulences permettant une propagation plus rapide du mélange d'air et de carburant, ce qui permet d'accélérer la vitesse de combustion et donc d'améliorer le rendement du moteur. [0016] Afin d'augmenter davantage les effets favorables de la soupape selon l'invention, celle-ci peut optionnellement comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la soupape présente une longueur totale LT mesurée selon l'axe longitudinal L ; le filet hélicoïdal présente une longueur H, mesurée également selon l'axe longitudinal L, le filet hélicoïdal étant agencé de manière que le rapport de H/LT soit compris entre 1/5 et 1/2; à titre d'exemple, la longueur H est comprise entre 20 mm et 40 mm ; - le filet hélicoïdal présente une largeur p, mesurée selon un axe transversal T perpen- 3 diculaire à l'axe longitudinal L, comprise entre 2,6 mm et 5,8 mm ; - le filet hélicoïdal présente une épaisseur c comprise entre 0,5 mm et 3 mm ; - le filet hélicoïdal présente un pas D compris entre 9 mm et 17 mm ; - le filet hélicoïdal présente un rayon des congés R compris entre 0,1 mm et 0,6 mm ; et - le filet hélicoïdal est venu de matière avec la tige de soupape (i.c. : il est obtenu par usinage de la tige) - le filet hélicoïdal est disposé entièrement sur la tige de soupape. [0017] L'invention a également pour objet un moteur Diesel injection directe pour véhicule automobile comprenant une soupape d'admission selon l'invention. [0018] Selon une caractéristique de l'invention, le moteur Diesel comprend une chambre de combustion et un conduit d'admission débouchant dans la chambre de combustion via un orifice. La soupape selon l'invention coulisse à travers l'orifice entre une position d'ouverture dans laquelle l'orifice est dégagé et une position de fermeture dans laquelle l'orifice est obturé par la tête de soupape. [0019] Selon le paragraphe précédent, le moteur selon l'invention peut optionnellement comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le filet hélicoïdal de la soupape est situé à distance d'une paroi interne du conduit d'admission ; de cette manière, on évite tout frottement entre le filet le conduit d'admission qui risquerait de ralentir le déplacement de la soupape ; - le moteur comprend en outre un guide de soupape recevant la tige de soupape ; le filet hélicoïdal de la soupape est situé en-dessous du guide de soupape lorsque la soupape est en position de fermeture ; de cette manière, on évite le cas où le filet hélicoïdal est en butée contre le guide de soupape, ce qui empêche la remontée de la soupape vers la position de fermeture ; - le conduit d'admission est enroulé autour de son axe principal ; le filet hélicoïdal de la soupape présente un sens de rotation qui est identique à celui de l'enroulement du conduit d'admission ; en effet, dans certains modèles du moteur, le conduit d'admission s'enroule autour de son axe principal pour provoquer le mouvement tourbillonnaire de rotation dans la chambre de combustion ; dans ce cas, la rotation du filet hélicoïdal doit être définie dans le même sens que l'enroulement du conduit d'admission pour accentuer l'effet tourbillonnaire ; si la rotation du filet hélicoïdal était dans un sens opposé à celui de l'enroulement du conduit d'admission, le filet ainsi disposé annulerait l'effet tourbillonnaire généré par la géométrie du conduit d'admission. [0020] Enfin, l'invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant un moteur Diesel selon l'invention. [0021] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, dans lesquels : [0022] [fig.1] représente un exemple de réalisation d'une soupape d'admission selon l' invention ; [0023] [fig.2] est une vue de coupe de la soupape de la figure 1 selon un plan passant par un axe II-II représenté sur la figure 1; [0024] [fig.3] est une vue de coupe d'un ensemble comprenant la soupape de la figure 1 et un conduit d'admission d'un moteur Diesel, la soupape étant installée dans le conduit d'admission ; [0025] [fig.4] représente une soupape d'admission de l'état de l'art; [0026] [fig.5] représente une culasse permettant de réaliser des mesures caractérisant le mouvement tourbillonnaire dans un cylindre, et ce en fonction de la position de la soupape (ou la levée de la soupape) ; [0027] [fig.6] est un graphique qui représente l'effet tourbillonnaire en fonction de la position de la soupape, et ce respectivement pour la soupape selon l'invention illustrée à la figure 1 et pour la soupape de l'état de l'art illustrée à la figure 4. [0028] Les éléments structurellement et fonctionnellement identiques, présents dans plusieurs figures distinctes, sont affectés d'une seule et même référence numérique ou alphanumérique. [0029] Dans la suite de la description, on adoptera une direction longitudinale représentée par l'axe L et une direction transversale représentée par l'axe T. Ces deux axes sont illustrés sur les figures 1 à 3. [0030] En référence sur la figure 1 et sur la figure 2, une soupape d'admission 1 selon l'invention comprend une tige de soupape 11 d'axe longitudinal L, et une tête de soupape 12 présentant une section circulaire. La tête de soupape 12 comprend une base 120 dont la section correspond sensiblement à celle d'un orifice débouchant dans une chambre de combustion du moteur. [0031] La tête de soupape 12 se rejoint à une zone de transition 110 de la tige de soupape 11. La zone de transition 110 présente une section circulaire croissant en direction de la tête de soupape. [0032] Selon l'invention et comme dans l'exemple illustré, la soupape 1 comprend un filet hélicoïdal 13, aussi appelé une hélice 13. Le filet hélicoïdal 13 est disposé sur la tige de soupape 11. Plus précisément, le filet hélicoïdal 13 est positionné à une portion inférieure de la tige de soupape 11, proche de la tête de soupape 12. [0033] Dans l'exemple illustré, le filet 13 s'étend longitudinalement sur la zone de transition 110 et sur une partie 112 de la tige de soupape 11. Ici, la partie 112 de la tige de soupape 11 présente une section rétrécie par rapport à la partie restante de la tige, ladite section rétrécie étant usinée pour permettre un gain de masse. [0034] -Ici, le sens de rotation du filet hélicoïdal 13 est dans le sens des aiguilles d'une montre, ou sens horaire. [0035] Outre le sens de rotation, le filet hélicoïdal 13 est défini par les paramètres suivants: - la longueur H mesurée selon l'axe longitudinal L; - la largeur p mesurée selon l'axe transversal T; - l'épaisseur e du filet; - le pas D entre deux sommets consécutifs du filet hélicoïdal 13; et - le rayon des congés R du filet 13. [0036] Sur la figure 3, la soupape 1 est installée dans un conduit d'admission 2. Celui-ci débouche dans une chambre de combustion 3 d'un cylindre via un orifice 20. La soupape 1 coulisse à travers cet orifice 20 entre une position de fermeture et une position d'ouverture. [0037] Dans la position de fermeture de la soupape 1, illustrée à la figure 3, la hase 120 de la tête de soupape 12 est en appui contre une paroi 21 délimitant l'orifice 20 de sorte à obturer complètement l'orifice 20. La paroi 21 est encore appelée siège de soupape. [0038] Dans la position d'ouverture de la soupape 1, celle-ci coulisse vers le bas de sorte qu'une partie de la soupape 1 se trouve dans la chambre de combustion 3. L'orifice 20 est ainsi dégagé et l'air d'admission peut entrer dans le cylindre. [0039] Comme illustré sur la figure 3, la largeur p du filet hélicoïdal 13 est telle que le mouvement tourbillonnaire peut être provoqué et que le filet 13 n'est pas au contact avec la paroi interne 23 du conduit d'admission 2, quelle que soit la position de la soupape 1. La distance entre le filet 13 et le conduit d'admission empêche tout contact entre ces deux éléments, car le contact entre le filet 13 et le conduit risque d'impacter le déplacement de la soupape 1, notamment sa vitesse. [0040] Dans un exemple, la soupape 1 coulisse dans un guide de soupape (non illustré sur les figures). Dans ce cas, il faut s'assurer que le filet 13 reste en-dessous du guide de soupape lorsque la soupape 1 est dans la position de fermeture. [0041] Pour ce faire, le filet hélicoïdal 13 doit être positionné le plus proche possible de la tête de soupape comme décrit précédemment. De plus, le filet 13 doit être suffisamment long pour créer le mouvement tourbillonnaire, mais pas trop pour éviter le contact entre le filet 13 et le guide de soupape. [0042] Ainsi, le filet 13 ne sera jamais en contact avec le guide de soupape, même lorsque la soupape 1 est dans sa position la plus haute, c'est-à-dire en position de fermeture. Ceci a pour but d'éviter que le filet 13 soit en contact avec le guide de soupape avant que la tête de soupape 12 vienne en appui contre la paroi 21. Si c'est le cas, l'orifice 20 ne sera pas fermé, car le guide de soupape est une butée qui empêche la montée de la soupape 1 pour fermer l'orifice. 6 [0043] Dans l'exemple illustré, le conduit d'admission 1 s'enroule dans le sens horaire afin de provoquer un mouvement tourbillonnaire à l'air d'admission. Ici, Le filet 13 présente un sens de rotation également dans le sens horaire. De cette manière, le mouvement tourbillonnaire généré par le filet hélicoïdal 13 s'ajoute à celui généré par la forme du conduit d'admission 2, améliorant ainsi la combustion du moteur. [0044] Afin de montrer l'efficacité de la soupape 1 selon l'invention par rapport à une soupape 100 dépourvue du filet hélicoïdal, pour chacune de ces soupapes, le Demandeur a mesuré le degré de turbulence généré par la soupape considéré en fonction de sa position. Le degré de turbulence est lié au couple de la masse d'air présent dans la chambre de combustion autour de l'axe du cylindre. La position de la soupape, encore appelée la levée de la soupape, est définie par la distance entre la tête de soupape et le siège 21. [0045] La soupape 100 dépourvue du filet hélicoïdal est illustrée à la figure 4. [0046] La soupape 1 selon l'invention et la soupape 100 de l'état de la technique ont les mêmes dimensions, hormis le fait que la soupape 1 selon l'invention comprend en plus un filet hélicoïdal 13. [0047] Les mesures ont été réalisées sur la soupape 1 selon l'invention comprenant un filet hélicoïdal 13 présentant les paramètres suivants : - la longueur H du filet est de 30 mm ; - l'épaisseur e du filet est de 1 mm ; - la largeur p du filet est de 3,2 mm - le pas D du filet est de 13 mm ; et - le rayon des congés R du filet est de 0,2 mm [0048] Les deux soupapes 1 et 100 sont soumises aux mêmes conditions de la méthode de mesure décrite ci-après. [0049] Une culasse de test 5 comprenant un faux-cylindre 6 est mise en place. Ladite culasse 5 est représentée sur la figure 5. [0050] Le faux-cylindre 6 présente la même forme d'un cylindre standard, mais avec une paroi latérale transparente. Un capteur de force 7 est disposé au fond du faux-cylinche pour mesurer le couple de la masse d'air M introduit dans le faux-cylindre 6 selon l'axe V du faux-cylindre (axe vertical) et selon au moins un axe horizontal perpendiculaire à l'axe du cylindre. Vu les caractéristiques du mouvement tourbillonnaire de type « swirl », seul le couple selon l'axe V du cylindre nous intéresse. [0051] Pour faire rentrer de l'air dans la chambre de combustion du faux-cylindre 6, un com- presseur 9 communique avec ladite chambre via un orifice réalisé dans le fond du faux-cylindre. Le compresseur 9 permet de faire baisser la pression à l'intérieur du faux-cylindre de manière qu'il y ait une différence entre la pression de l'extérieur et la pression dans le faux-cylindre 6, par exemple de l'ordre de 50 mBar. Ceci permet 7 d'entraîner une dépression qui aspire de l'air de l'extérieur dans le faux-cylindre 6. [0052] L'air aspiré emprunte le chemin du conduit d'admission et il entre dans le faux- cylindre par l'orifice d'admission 20. La soupape 1 ou la soupape 100 est montée dans le moteur de façon à pouvoir coulisser à travers l'orifice d'admission. [0053] Ainsi, afin de mesurer le couple de la masse d'air M à chaque levée de la soupape 1 ou 100, les étapes suivantes sont réalisées : - on règle tout d'abord la soupape 1 ou 100 à la position voulue ; - puis, au moyen du compresseur 9, on crée la dépression pour aspirer de l'air dans le faux cylindre ; - on mesure ensuite la valeur du couple intéressé. [0054] A noter que le conduit d'admission de la culasse 5 est agencé de manière à provoquer un mouvement tourbillonnaire de l'air dans le faux-cylindre 6.11 y a donc la turbulence aussi bien dans la culasse avec la soupape 100 de l'état de l'art que dans la culasse avec la soupape 1 de l'invention. Toutefois, le degré de turbulence dans ces deux cas est différent. [0055] La valeur du couple mesuré sert ensuite de calculer le degré de turbulence de la niasse d'air dans le faux-cylindre. [0056] Le degré de turbulence est calculé selon la formule mathématique suivante : [Math.1] Degré de turbulence - 2. p.i. 100571 équation clans laquelle p est la masse volumique de l'air introduit clans le faux- cylindre (1(g/m5) ; G est le couple mesuré selon l'axe V du cylindre (Nm) ; C est la course du moteur (m) ; et Qm est le débit massique de l'air introduit dans le faux-cylindre (1(g/s). 100581 Le débit massique est obtenu dans un débitmètre 8 installé en amont du compresseur 9. 100591 Les résultats obtenus à partir de ces mesures sont exposés clans le tableau suivant : 100601 8 [Tablcauxl] Soupape 1 Soupape 100 Position de la soupape [mm] Degré de turbulence [ - ] Degré de turbulence [ - ] 2 0.59 0.30 3 0.76 0.68 4 1.00 1.00 5 1.28 1.24 6 1.69 1.51 7 2.27 2.26 8 2.74 2.57 [0061] Les résultats obtenus sont également illustrés sous forme d'un graphique sur la figure 5. Le degré de turbulence de la soupape 1 est représenté par un trait plein tandis que la valeur de turbulence de la soupape 100 est représentée par un trait discontinu. [0062] Ainsi, on remarque que la soupape 1 selon l'invention, dans la plupart des cas, fournit un degré de turbulence supérieure à celle de la soupape 100 de l'état de l'art. En moyenne, le degré de turbulence est augmenté de 8 %. [0063] Autrement dit, il y a plus de turbulence de type « swirl » dans la culasse comprenant la soupape 1 que dans la culasse comprenant la soupape 100 dépourvue du filet hélicoïdal. La soupape 1 selon l'invention contribue donc à augmenter le mouvement tourbillonnaire de type « swirl » dans le cylindre, améliorant ainsi la combustion du moteur. 100641 On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention. 9