Brevet FR3094041A1 — publié le 20200925

Description Titre de l'invention : Conduit d'admission optimisé pour moteur Diesel à injection directe [0001] L'invention concerne un conduit d'admission pour moteur Diesel à injection directe, et plus particulièrement un conduit d'admission agencé de manière à améliorer la combustion par optimisation du mélange air-carburant dans les cylindres. [0002] De manière connue, pour optimiser la combustion du moteur et par conséquent réduire les émissions de polluants et augmenter les performances d'un moteur à combustion interne, il est souhaitable d'assurer dans le cylindre un meilleur mélange d'air et de carburant. [0003] Une des solutions proposées aux moteurs Diesel à injection directe est de générer dans le cylindre un mouvement d'air tourbillonnaire qui se décompose en un mouvement de rotation de la masse d'air sensiblement autour de l'axe du cylindre. Ce mouvement tourbillonnaire est communément appelé par le terme anglophone « [0004] Par ailleurs, afin de réduire davantage 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 Rccirculation » en anglais. [0005] Cependant, la réintroduction du gaz d'échappement, encore appelé gaz recirculé, dans le circuit d'admission a tendance 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. [0006] 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. [0007] Afin d'élever le rendement d'un moteur équipé d'un système EGR à un niveau équivalent à celui d'un moteur sans système EGR, il est souhaitable d'augmenter la vitesse de propagation du mélange d'air frais et de gaz recirculé. Pour ce faire, une solution envisageable est de générer un degré de turbulence de type « swirl » élevé dans le cylindre. [0008] Cependant, les solutions proposées par les moteurs Diesel existants ne fournissent pas un mouvement tourbillonnaire de type « swirl » suffisant pour atteindre le résultat souhaité. 2 [0009] Ainsi, 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. [0010] Pour cela, un premier aspect de l'invention concerne un conduit d'admission pour moteur Diesel à injection directe, d'axe principal A. Ce conduit comprend une première extrémité destinée à déboucher sur une face d'admission du moteur et une deuxième extrémité destinée à déboucher dans une chambre de combustion. [0011] Selon l'invention, le conduit d'admission comprend au moins trois rainures héli- coïdales espacées régulièrement entre elles sur la périphérie du conduit d'admission. En outre, chacune des rainures hélicoïdales comprend un bord de départ au niveau de la première extrémité du conduit d'admission et un bord terminal au niveau de la deuxième extrémité du conduit d'admission, et le bord de départ et le bord terminal de chacune des rainures hélicoïdales sont décalés d'au moins 180' l'un par rapport à l'autre suivant l'axe principal A. [0012] Dans le contexte de l'invention, l'expression « au niveau de » signifie « situé dans un même plan » ou « légèrement décalé ». En l'occurrence, la caractéristique selon laquelle le bord de départ est au niveau de la première extrémité du conduit d'admission peut être interprétée comme : « le bord de départ est situé dans un même plan que ladite première extrémité ». Alternativement, la caractéristique peut être interprétée comme - « le bord de départ est légèrement décalé par rapport à la première extrémité de sorte que le bord de départ est situé dans un plan distinct et parallèle à celui contenant la première extrémité du conduit d'admission ». Le décalage entre le bord de départ et la première extrémité peut être de l'ordre de 10 min à 35 mm. [0013] La même interprétation s'applique au bord terminal de chacune des rainures héli- coïdales et à la deuxième extrémité du conduit d'admission. [0014] Grâce aux filets hélicoïdaux s'étendant sensiblement tout le long du conduit d'admission, un mouvement tourbillonnaire de type « swirl » est imprimé au flux d'air circulant dans le conduit d'admission. Ainsi, le flux d'air est introduit dans la chambre de combustion suivant une trajectoire torsadée, ce qui accroît la rotation du flux d'air autour l'axe de la chambre de combustion, donc le mouvement tourbillonnaire de type swirl ». [0015] Par conséquent, le mélange d'air et de carburant est plus facilité, et donc plus homogène. Une telle amélioration du mélange d'air et de carburant pet-met de réduire la consommation du carburant ainsi que l'émission des polluants par le moteur. [0016] 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 3 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. [0017] Par ailleurs, l'augmentation du mouvement tourbillonnaire « swirl » générée par le conduit d'admission selon l'invention accentue la turbulence et accroît ainsi l'énergie cinétique de turbulence (« TKE » pour Turbulent Kinetic Encrgy 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. [0018] Si le nombre de rainures est en-dessous de trois ou si le décalage angulaire entre le bord de départ et le bord terminal de chaque rainure est en dessous de 180', le mouvement tourbillonnaire de type « swirl » dans la chambre de combustion risque de ne pas atteindre le degré de turbulence souhaité. [0019] Afin d'augmenter davantage les effets favorables du conduit d'admission selon l'invention, celui-ci peut optionnellement comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le bord de départ et le bord terminal de chacune des rainures hélicoïdales sont décalés d'un angle inférieur à 360'; - le conduit d'admission comprend quatre rainures hélicoïdales espacées régulièrement entre elles sur la périphérie du conduit d'admission ; il s'agit d'un nombre optimal de filets pour introduire un mouvement tourbillonnaire élevé et en même temps adapté à la dimension conventionnelle du conduit d'admission ; - le conduit d'admission présente une section transversale de forme circulaire de rayon R compris entre 10 mm et 30 mm - le conduit d'admission présente une section transversale de forme circulaire de rayon R ; chacune des rainures hélicoïdales présente une largeur L. mesurée selon une direction d, tangentielle à une direction radiale d,, d'une valeur telle que L= R/3 ; - le conduit d'admission présente une section transversale de forme circulaire de rayon R ; chacune des rainures hélicoïdales présente une profondeur H, mesurée selon une direction radiale dl, d'une valeur telle que H= R/3 ; - le conduit d'admission présente une section transversale de forme circulaire de rayon R; chacune des rainures hélicoïdales rejoint une paroi latérale du conduit d'admission par une zone an-ondie présentant un rayon ri tel que ri= R/15. [0020] L'invention a également pour objet une culasse dans laquelle est pratiqué au moins un conduit d'admission selon l'invention. A titre d'exemple, une telle culasse est obtenue par un procédé de moulage en sable. [0021] L'invention a aussi pour objet un moteur Diesel à injection directe comprenant une culasse selon l'invention. [0022] Enfin, un autre objet de l'invention concerne un véhicule automobile comprenant un moteur Diesel selon l'invention. [0023] 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 : [0024] [fig.1] représente une vue de dessus d'un conduit d'admission selon un exemple de réalisation de l'invention ; [0025] [fig.2] est une vue de côté du conduit d'admission de la figure 1; [0026] [fig.3] est une vue de coupe selon un plan III-III illustré à la figure 1 montrant une section transversale du conduit d'admission de la même figure; [0027] [fig.4] est une vue de dessus de deux conduits d'admission identique à celui de la figure 1; [0028] [fig.5] est une vue de dessus de deux conduits d'admission lisses connus de l'état de la technique; [0029] [fig.6] est une illustration schématique d'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); [0030] [fig.7] est un graphique qui représente l'effet tourbillonnaire en fonction de la position de la soupape, et ce respectivement pour une culasse selon l'invention comprenant deux conduits d'admission illustrés à la figure 4 et pour une culasse standard comprenant deux conduits d'admission lisses illustrés à la figure 5. [0031] Les éléments structurellement et fonctionnellement identiques, présents dans plusieurs figures distinctes, sont affectés d'une seule et même référence numérique ou alphanumérique. [0032] Dans la suite de la description, on adoptera une direction verticale représentée par l'axe V, une direction transversale horizontale ou latérale horizontale représentée par l'axe T et une direction longitudinale horizontale représentée par l'axe L. Ces axes sont illustrés sur les figures 1 à 5. [0033] En référence à la figure 1 et à la figure 2, un conduit d'admission 1 selon un exemple de réalisation de l'invention comprend un axe principal A. Ce dernier relie le centre de toutes les sections transversales du conduit d'admission 1. L'axe principal A est encore appelé « fibre neutre » dans le vocabulaire utilisé par l'homme du métier. [0034] Ici, le conduit d'admission 1 est pratiqué dans une culasse (non représentée) pour moteur Diesel à injection directe. La culasse comprend une face d'admission recevant un répartiteur d'admission ou un collecteur d'admission. [0035] Le conduit d'admission 1 comprend une première extrémité 11 débouchant sur la face d'admission de la culasse et une deuxième extrémité 12, à l'opposé de la première extrémité 11, débouchant dans une chambre de combustion d'un cylindre. [0036] Dans l'exemple illustré, le conduit d'admission 1 est courbé entre la première extrémité 11 et la deuxième extrémité 12 de sorte que l'axe principal À dessine un arc de cercle. [0037] Ici, le conduit d'admission 1 comprend en outre un guide de soupape 2 s'étendant verticalement et destiné à recevoir une soupape d'admission. [0038] Selon l'invention et comme dans l'exemple illustré, le conduit d'admission 1 comprend quatre rainures hélicoïdales 13, 14, 15 et 16 réparties de manière équidistante sur une paroi latérale 10 du conduit d'admission 1. [0039] Chacune de ces rainures hélicoïdales comprend un bord de départ et un bord terminal. Par exemple, sur la figure 1, on peut voir le bord de départ 150 d'une rainure référencée 15. Sur la figure 2, on peut voir les bords terminaux 131 et 141 des rainures respectives 13 et 14. Les autres bords de départ et bords terminaux ne sont pas visibles sur les figures. [0040] Ici, tous les bords de départ se trouvent dans un même plan Pl et tous les bords terminaux se trouvent dans un même plan P3. En d'autres termes, les rainures hélicoïdales 13, 14, 15 et 16 débutent d'un même plan Pl et se terminent dans un même plan P2. [0041] Le plan PI contient également la première extrémité 11 du conduit d'admission 1. Les bords de départ des rainures 13, 14, 15 et 16 sont donc disposés dans le même plan que la première extrémité 11 du conduit d'admission 1. [0042] En revanche, les bords terminaux des rainures 13, 14, 15 et 16 sont légèrement décalés par rapport à la deuxième extrémité 12 du conduit d'admission. Dans cet exemple, le plan P3 est parallèle à un plan P2 contenant la deuxième extrémité 12. Toutefois, la distance entre les plans P3 et P2 est relativement faible, par exemple compris entre 10 et 35 mm, si bien que les bords terminaux des rainures 13 à 16 sont situés à peu près au même niveau que la deuxième extrémité 12. [0043] Dans l'exemple illustré, les rainures hélicoïdales 13, 14, 15 et 16 ont les mêmes di- mensions. [0044] La figure 3 représente une section transversale 3 du conduit d'admission obtenue d'une coupe selon le plan tel qu'illustré à la figure 1. La section transversale 3 est circulaire et présente un rayon R compris entre 10 mm et 30 min La section transversale 3 comprend quatre encoches 30 réparties de manière équidistante sur la périphérie de ladite section. Ces quatre encoches font partie respectivement des quatre rainures hélicoïdales 13, 14, 15 et 16. 6 [0045] Comme observé sur la figure 3, chacune des rainures hélicoïdales 13, 14, 15 et 16 présente une largeur L, mesurée selon une direction radiale dl. A titre d'exemple, la largeur L est égale à R/3. [0046] Chacune des rainures 13, 14, 15 et 16 présente une profondeur H, mesurée selon une direction d, tangentielle à la direction dl. A titre d'exemple, la profondeur H est égale à R/3. [0047] Par ailleurs, chacune des rainures 13, 14, 15 et 16 rejoint à un bord périphérique 19 du conduit d'admission 1 par une zone arrondie 35. Ladite zone arrondie 35 présente un rayon r, tel que ri=R/15. Le bord périphérique 19 fait partie de la paroi latérale 10 du conduit d'admission 1. [0048] En outre, selon l'invention et dans cet exemple, pour chacune des rainures 13, 14, 15 et 16, le bord de départ et le bord terminal sont décalés angulairement l'un par rapport à l'autre de 180' suivant l'axe principal A. [0049] Ainsi, en comparant la section transversale du conduit d'admission dans le plan Pl, dite section de départ, avec la section transversale dudit conduit dans le plan P3, dite section de fin, nous avons un décalage de 180' autour de l'axe A entre une encoche 30 de la section de départ appartenant à une des quatre rainures et une encoche 30 de la section de fin appartenant à la même rainure. [0050] Ici, les rainures hélicoïdales vont de la gauche vers la droite en partant de la deuxième extrémité 12 du conduit d'admission. Les rainures ainsi orientées produisent une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre du flux d'air circulant dans le conduit d'admission 1. [0051] Afin de démontrer l'efficacité du conduit d'admission 1 selon l'invention par rapport à un conduit d'admission 100 lisse connu de l'état de l'art, la Demanderesse a mesuré le degré de turbulence dans un cylindre 4 généré par deux modèles de réalisation représentés respectivement à la figure 4 et à la figure 5. [0052] La figure 4 illustre deux conduits d'admission 1 identiques à celui illustré sur les figures 1 à 3 et qui débouchent dans une chambre de combustion délimitée par un cylindre 4. Les rainures de ces deux conduits d'admission présentent le même sens de rotation. [0053] La figure 5 illustre deux conduits d'admission 100 lisses dépourvus de rainures héli- coïdales et qui débouchent également dans une chambre de combustion délimitée par le cylindre 4. Les conduits d'admission lisses 100 ont les mêmes dimensions et présentent le même diamètre que les conduits d'admission 1 de la figure 4, hormis le fait qu'ils sont dépourvus de rainures hélicoïdales. [0054] Ici, le degré de turbulence de chacun de ces deux modèles est mesuré en fonction de la levée des soupapes logées dans les conduits d'admission. Le degré de turbulence est lié au couple de la masse d'air présent dans la chambre de combustion autour de l'axe 7 du cylindre. La levée des soupapes, encore appelée la position des soupapes, est définie par la distance entre la tête de soupape et le siège. [0055] Les deux modèles de la figure 4 et 5 sont intégrés dans un moteur de test 5 comme illustré sur la figure 6. [0056] Le moteur de test 5 comprend le cylindre 4. Ce dernier est un faux-cylindre présentant la même forme d'un cylindre standard, mais avec une paroi latérale transparente. Un capteur de force 7 est disposé au fond du faux-cylindre pour mesurer le couple de la masse d'air M introduit dans le faux-cylindre 4 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. [0057] Pour faire rentrer de l'air dans la chambre de combustion du faux-cylindre 4, un com- presseur 9 communique avec ladite chambre via un orifice réalisé dans le fond du faux-cylindre 4. Le compresseur 9 permet de faire baisser la pression à l'intérieur du faux-cylindre de manière à ce qu'il y ait une différence entre la pression de l'extérieur et la pression dans le faux-cylindre 4, par exemple de l'ordre de 50 mBar. Ceci permet d'entraîner une dépression qui aspire de l'air de l'extérieur dans le faux-cylindre 4. [0058] L'air aspiré emprunte le chemin des conduits d'admission 1 ou 100 et il entre dans le faux-cylindre 4 par des orifices d'admission 50. Deux soupapes donc une dans chaque conduit d'admission 1 ou 100 sont montées dans le moteur de façon à pouvoir coulisser à travers les orifices d'admission 50. [0059] 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 les soupapes 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. [0060] La valeur du couple mesuré sert ensuite de calculer le degré de turbulence de la masse d'air dans le faux-cylindre. [0061] Le degré de turbulence est calculé selon la formule mathématique suivante : [0062] 2. p.G.0 Degré de turbulence= 9 Qm" 100631 avec p est la masse volumique de l'air introduit dans le faux-cylindre (kg/m3) ; 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 (kg/s). 100641 Le débit massique est obtenu dans un débitmètre 8 installé en amont du compresseur 9. 100651 Les résultats obtenus à partir de ces mesures sont exposés dans le tableau suivant : 8 [0066] [Tableaux 1] Conduit Standard Conduit Optimisé Position de la soupape [mm] Degré de turbulence (swirl) Degré de turbulence (swirl) I - 1 l - 1 2 0.044 0.502 3 0.109 0.602 4 0.226 0.643 5 0.006 0.674 6 0.007 0.563 7 0.030 0.493 8 0.017 0.357 9 0.016 0.299 [0067] Les résultats obtenus sont également illustrés sous forme d'un graphique sur la ligure 7. Le degré de turbulence dans le cylindre 4 avec les conduits d'admission 1 est représenté par un trait plein en gris clair tandis que le degré de turbulence dans le cylindre 4 avec les conduits (l'admission 100 est représenté par un trait plein en noir foncé. [0068] Il est remarqué que dans les deux cas, le degré de turbulence augmente dans un premier temps avec la valeur croissante de la position de la soupape. Puis, dans un deuxième temps, plus la levée de la soupape augmente, plus le degré de turbulence diminue. En ce qui concerne les conduits d'admission lisse 100, la diminution du degré de turbulence commence dès que la soupape atteint une levée de 4 mm. En revanche, dans le cas des conduits d'admission 1 selon l'invention, la diminution du degré de turbulence commence plus tard, à savoir lorsque la soupape a une levée de 5 mm. Au-delà d'une certaine ouverture de la soupape, l'espace libre entre la soupape et le siège de soupape devient trop important et ne permet plus au flux d'air de s'enrouler convenablement. [0069] Malgré cette diminution, on remarque le conduit d'admission 1 selon l'invention, dans n'importe quelle position de la soupape, fournit un degré de turbulence au moins trois fois supérieure à celui généré par conduit. d'admission lisse 100 connu de l'état de la technique. [0070] De plus, le conduit d'admission 100 ne génère presque pas de turbulence à partir de la quatrième position de la soupape, c'est-à-dire à partir du moment où la position des soupapes atteint 5 mm. 9 [0071] Tl y a donc toujours plus de turbulence de type « swirl » dans la culasse comprenant les conduits d'admission 1 selon l'invention que dans la culasse comprenant les conduits d'admission 100 lisses. Le conduit d'admission selon l'invention contribue donc à augmenter le mouvement tourbillonnaire de type « swirl » dans le cylindre, améliorant ainsi la combustion du moteur. [0072] 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 défini par les revendications annexées. 10