Brevet FR3092614A1 — publié le 20200814

Description Titre de l'invention : Soupape d'admission pour moteur à essence [0001] L'invention a trait à une soupape d'admission de moteur à essence. Particulièrement, 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 aspects du moteur à essence, notamment la réduction des polluants générés par le fonctionnement du moteur en raison des critères de plus en plus stricts des nonnes de dépollution. [0003] Afin de réduire l'émission des polluants, une des solutions proposées aux moteurs à essence est. de réintroduire les gaz d'échappement à l'admission grâce à un système de recirculation des gaz d'échappement., encore appelé EGR pour « Exhaust Gaz Recirculation » en anglais. Les gaz d'échappement réintroduits dans l'admission sont aussi appelés les gaz recirculés. [0004] Les nouvelles normes de dépollution contraignent des constructeurs automobiles à introduire de plus en plus de gaz EGR dans la chambre de combustion pour limiter davantage les polluants. [0005] Cependant, la réintroduction supplémentaire du gaz d'échappement. dans le circuit d'admission diminue beaucoup la vitesse de combustion. En effet, le mélange d'air et de gaz recirculé a une vitesse de propagation moins élevée que l'air frais, car la masse volumique du gaz recirculé est différente de celle de l'air frais. Cette réduction de vitesse de propagation (lu mélange réduit la vitesse de combustion, ce qui risque de retarder la combustion et de réduire ainsi le rendement de combustion. [0006] Par conséquent, afin de retrouver une vitesse de combustion assurant une bonne per- formance du moteur, il est proposé d'introduire une turbulence plus élevée dans la chambre de combustion, c'est-à-dire d'imprimer un plus fort mouvement tourbillonnaire de rotation à l'air introduit dans la chambre de combustion. Le mouvement tourbillonnaire est de type « tumble » et se manifeste par la rotation du flux d'air autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du cylindre. [0007] Toutefois, les contraintes thermiques et les contraintes liées à la structure du moteur empêchent unc modification importante de la géométrie du conduit d'admission, ce qui ne permet pas de provoquer un niveau de turbulence suffisant pour obtenir un résultat satisfaisant. [0008] Un but de la présente invention est d'améliorer la combustion d'un moteur à essence, et en particulier lorsqu'il est équipé d'un système EGR permettant de réduire l'émission des polluants. [0009] Pour cela, un premier aspect de l'invention concerne unc soupape d'admission de moteur à essence de véhicule automobile, comprenant une tige de soupape d'axe lon- 2 gitudinal L, une tête de soupape destinée à ouvrir ou à fermer une chambre de combustion du moteur à essence, et une zone de transition reliant la tige de soupape à la tête de soupape. [0010] Selon l'invention, la tige de soupape comprend au moins deux portions cylindriques de diamètres différents, dont une portion cylindrique primaire présentant un premier rayon RI supérieur au rayon R2, R3 de la ou des portion(s) restante(s) de la tige de soupape. La zone de transition relie la portion cylindrique primaire à la tête de la soupape. De plus, la zone de transition est sous forme d'un cône tronqué comprenant une grande base située du côté de la tête de la soupape et une petite hase située du côté de la portion cylindrique primaire. [0011] La solution proposée permet de résoudre les problèmes précités. En effet, la forme particulière de la tige de soupape et de la zone de transition oriente l'écoulement de l'air venant du conduit d'admission de manière à créer une rotation du flux d'air autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de cylindre. [0012] Ainsi, un mouvement tourbillonnaire de rotation de type « turnblc » 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. [0013] De plus, lorsque le moteur à essence est équipé d'un système EGR, l'augmentation du mouvement tourbillonnaire de type « tumble » 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 à essence est remontée à une valeur équivalente de celle d'un moteur sans le système EGR. Ainsi, grâce à l'invention, le moteur à essence équipé du système EGR émet moins de polluants, notamment moins d'oxydes d'azote, par rapport à un moteur sans le système EGR, tout en assurant une performance équivalente. [0014] Par ailleurs, de manière générale, l'augmentation du mouvement tourbillonnaire dit de « tumble » générée par la soupape selon l'invention accentue la turbulence et accroît ainsi l'énergie cinétique de turbulence (connue sous 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. [0015] Afin d'augmenter davantage les effets favorables de la soupape selon l'invention, celle-ci peut optionnellement comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 3 - la portion cylindrique primaire et la zone de transition présentent une longueur totale H2, mesurée selon l'axe longitudinal L, de 12,5 mm; dans un exemple de réalisation, le rapport entre la longueur H2 et la longueur totale de la soupape est de 1/4 ; - la portion cylindrique primaire présente une première longueur H1, mesurée selon l'axe longitudinal L, comprise entre 8 mm et 10 mm; - la portion cylindrique primaire présente un premier rayon R1 compris entre 3 mm et 4 mm; - la petite base de la zone de transition présente un deuxième rayon R4 compris entre 3,5 mm et 4,5 mm ; - la zone de transition en forme de cône tronqué est obtenue à partir d'un cône dont le demi-angle au sommet a est compris entre 48° et 540. [0016] L'invention a également pour objet un moteur à essence pour véhicule automobile comprenant une soupape d'admission selon l'invention. [0017] Selon une caractéristique de l'invention, le moteur à essence comprend une chambre de combustion, un conduit d'admission débouchant dans la chambre de combustion via un orifice, et un guide de soupape recevant la tige de soupape. 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. [0018] Selon le paragraphe précédent, la portion cylindrique primaire de la tige de soupape est située en-dessous du guide de soupape lorsque la soupape est en position de fermeture. De cette manière, on évite le cas où la portion cylindrique primaire est en butée contre le guide de soupape avant que la tête de soupape vienne en appui sur un siège de soupape pour fermer la chambre de combustion. [0019] Enfin, l'invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant un moteur à essence selon l'invention. [0020] 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 : [0021] [fig.1] représente un exemple de réalisation d'une soupape d'admission selon l'invention ; [0022] [fig.2] est une vue agrandie du détail référencé II sur la figure 1 ; [0023] [fig.3] est une vue de face d'un ensemble comprenant deux conduits d'admission dé- bouchant dans une chambre de combustion ; une soupape illustrée à la figure 1 est insérée dans chacun (lesdits conduits d'admission ; [0024] [fig.4] est une vue de coupe selon un plan passant par un axe IV-IV représenté sur la figure 3; [0025] [fig.5] représente une soupape d'admission de l'état de la technique; [0026] [fig.6] 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.7] est un graphique représentant 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 la technique illustrée à la figure 5. [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 par exemple sur les figures 1 ou 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 13 présentant une section circulaire. La tige de soupape 11 et la tête de soupape 13 se rejoignent à une zone de transition 12. [0031] La tête de soupape 13 comprend une hase 130 dont la section correspond sen- siblement à celle d'un orifice débouchant dans une chambre de combustion du moteur. [0032] Dans l'exemple illustré, la tige de soupape 11 comprend trois portions cylindriques 110, Ill et 112 présentant des diamètres différents. Dans la suite de la description, les diamètres de ces portions cylindriques sont représentés par les rayons. [0033] Dans l'ordre du bas en haut de la figure 1, la tige de soupape 11 comprend une portion cylindrique primaire 110, une deuxième portion cylindrique 111, et une troisième portion cylindrique 112 présentant respectivement un diamètre Ri, R2 et R3 comme illustré sur la figure 1. [0034] Ici, le rayon R2 de la deuxième portion cylindrique 1 1 1 est légèrement inférieur au rayon R3 de la troisième portion cylindrique 112 de façon à former une portion cylindrique rétrécie par rapport aux autres portions de la tige de soupape 11. Cette portion rétrécie est usinée pour des raisons de gain de masse [0035] Par ailleurs, selon l'invention et comme dans l'exemple illustré, le premier rayon RI de la portion cylindrique primaire 110 est supérieur au rayon R2 de la deuxième portion cylindrique Ill ainsi qu'au rayon R3 de la troisième portion cylindrique 112. La forme particulière de ladite portion 110 contribue à accentuer la turbulence dans la chambre de combustion. [0036] La portion cylindrique primaire 110 présente ici une première hauteur HI, mesurée selon l'axe longitudinal L. La première hauteur HI est par exemple comprise entre 8 mm et 10 mm. [0037] La zone de transition 12 s'étend à partir d'une extrémité inférieure de ma portion cy- lindrique primaire 110 vers la tête de soupape 13. Ici, la zone de transition 12 est sous forme d'un cône tronqué présentant une petite hase 121 et une grande hase 122. La petite hase 121 est située du côté de la portion cylindrique primaire 110 tandis que la grande hase 122 est située du côté de la tête de la soupape 13. [0038] Selon l'invention et comme dans l'exemple illustré, la petite hase 121 dc la zone de transition 12 présente un deuxième rayon R4 légèrement supérieur au premier rayon R1 de la portion cylindrique primaire 110. Par exemple, la différence est dc l'ordre de 0,5 mm. [0039] Outre les rayons de la grande hase et de la petite hase, la zone de transition 12 en forme de cône tronqué est définie par un autre paramètre qui est l'angle a tel qu'illustré à la figure 2. [0040] Ici, l'angle cr est mesuré entre une directrice 124 appartenant à la surface latérale du cône tronqué et un axe J, parallèle à l'axe longitudinal L, et passant par un point B situé sur la périphérie de la petite hase 121. Selon une autre définition, l'angle est le demi-angle au sommet d'un cône à partir duquel est formé le cône tronqué formant la zone de transition 12. [0041] A titre d'exemple, l'angle a. est compris entre 48° et 54°. [0042] La forme particulière dc la zone de transition 12 contribue à accentuer la turbulence dans la chambre de combustion. [0043] La zone de transition 12 et la portion cylindrique primaire 110 présentent une hauteur totale H2. A titre d'exemple, la hauteur totale H2 est de 12,5 mm. [0044] En référence à la figure 4 et à la figure 5, des conduits d'admission 2 débouchent dans une chambre de combustion 3 d'un cylindre via des orifices 20. Une soupape d'admission 1 est logée dans chaque conduit d'admission 2 et coulisse à travers l'orifice correspondant 20 entre une position de fermeture et une position d'ouverture. [0045] Dans la position de fermeture de la soupape 1, illustrée à la figure 4, la base 130 de la tête de soupape 13 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. [0046] 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. [0047] Un guide de soupape 4 reçoit la tige de soupape 11. Ici, le guide de soupape 4 est venu de matière avec le conduit d'admission 2. [0048] Comme observé sur la figure 4, la portion cylindrique primaire 110 reste en-dessous du guide de soupape 4 lorsque la soupape 1 est dans la position de fermeture. [0049] Afin de montrer l'efficacité de la soupape 1 selon l'invention par rapport à une soupape 100 existante, pour chacune de ces soupapes, le Demandeur a mesuré le degré 6 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 perpendiculaire à 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. [0050] La soupape 100 de l'état de la technique est illustrée à la figure 5. [0051] La soupape 1 selon l'invention et la soupape 100 de l'état de la technique présentent la même longueur. La tête de soupape reste la même. La tige des soupapes 1 et 100 comprend les deuxième et troisième portions cylindriques 111 et 112 avec les mêmes valeurs des rayons R2 et R3. [0052] Toutefois, la tige de soupape de la soupape 100 ne comprend pas la portion cy- lindrique primaire 110. En outre, la zone de transition 120 de la soupape 100 comprend une paroi latérale à surface courbe. [0053] Les mesures ont été réalisées sur la soupape 1 selon l'invention présentant les pa- ramètres suivants : - la première hauteur Hl de la portion cylindrique primaire 110 est de 9 mm ; - la hauteur totale H2 de la portion cylindrique primaire 110 et de la zone de transition 12 est de 12,5 mm ; - l'angle cx de la zone de transition 12 est de 54°; - le premier rayon R1 de la portion cylindrique primaire 110 est de 3,5 mm ; et - le deuxième rayon R4 de la petite base 121 de la zone de transition 12 est de 4 mm [0054] Les deux soupapes 1 et 100 sont soumises aux mêmes conditions de la méthode de mesure décrite ci-après. [0055] Une culasse de test 5 comprenant un faux-cylindre 6 est mise en place. Ladite culasse 5 est représentée sur la figure 5. [0056] Le faux-cylindre 6 présente la même forme d'un cylindre standard, mais comportant 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 6 selon l'axe V du faux-cylindre (axe vertical) et un axe horizontal X perpendiculaire à l'axe V du cylindre. Vu les caractéristiques du mouvement tourbillonnaire de type « tumble », seul le couple selon l'axe X du cylindre nous intéresse. [0057] 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. Ceci permet d'entraîner une dépression qui aspire de l'air de l'extérieur dans le faux-cylindre 6. [0058] L'air aspiré emprunte le chemin du conduit d'admission et il entre dans le faux- 7 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. [0059] 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. [0060] 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. [0061] La valeur du couple mesuré sert ensuite de calculer le degré de turbulence de la niasse d'air dans le faux-cylindre. [0062] Le degré de turbulence (de type « tumble ») est calculé selon la formule ma- thématique suivante : [Math.1] Degré de turbulence - Qin 2 100631 formule clans laquelle : p est la masse volumique de l'air introduit dans le faux- cylindre (1(g/m5) ; G est le couple mesuré selon l'axe X du cylindre (Nm) ; C est la course du moteur (m) ; et Qm est le débit massique de l'air introduit clans le faux-cylindre (1(g/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 clans le tableau suivant : 100661 2. p.G.C' 8 [Tableaux 1] Soupape 1 Soupape 100 Position de la soupape [mm] Degré de turbulence [ - ] Degré de turbulence [ - ] 2 0.13 0.04 3 0.62 0.40 4 1.33 1.02 5 3.03 2.60 6 3.93 3.65 7 4.47 4.12 8 4.79 4.54 [0067] Les résultats obtenus sont également illustrés sous forme d'un graphique sur la figure 7. Le degré de turbulence (de type « tumble ») de la soupape 1 est représenté par un trait plein tandis que le degré de turbulence de la soupape 100 est représenté par un trait discontinu. [0068] Ainsi, on remarque que la soupape 1 selon l'invention fournit un degré de turbulence supérieur à celle de la soupape 100 de l'état de l'art. En moyenne, le degré de turbulence est augmenté de 12 %. 100691 Autrement dit, il y a plus de turbulence de type « tumble» dans la culasse comprenant la soupape 1 que dans la culasse comprenant la soupape 100 de l'état de l'art. La soupape 1 selon l'invention contribue donc à augmenter le mouvement tourbillonnaire de type « tumble» dans le cylindre, améliorant ainsi la combustion du moteur. 100701 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