Brevet FR3095237A1 — publié le 20201023

Description Titre de l'invention : Dispositif d'admission de gaz avec deux conduits d'admission dissymétriques Domaine technique [0001] La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'admission de gaz pour un moteur à combustion interne. La présente invention concerne en particulier les dispositifs d'admission de gaz avec deux conduits d'admission permettant de générer un mouvement aérodynamique de gaz dans le cylindre du moteur. [0002] Ce type de moteur comprend généralement au moins un cylindre, un piston coulissant dans ce cylindre en un mouvement rectiligne alternatif, des moyens d'admission d'un comburant dans le cylindre, des moyens d'échappement de gaz brûlés du cylindre, une chambre de combustion, et des moyens d'injection pour injecter un combustible dans le cylindre. [0003] Comme cela est généralement admis, lors de la conception d'un moteur, les contraintes de performances et d'émissions de polluants sont de plus en plus fortes et il convient donc de trouver de nouvelles solutions pour augmenter le rendement final du moteur. [0004] L'augmentation du rendement de combustion est donc un point clé pour limiter les émissions polluantes à performances égales ou supérieures. Pour cela, l'utilisation de la totalité du carburant présent dans la chambre de combustion, par un comburant comprenant par exemple de l'air à pression ambiante, de l'air suralimenté, ou un mélange d'air (suralimenté ou non) et de gaz brûlés recirculés, est d'une grande importance. 100051 En effet, il est nécessaire que le mélange carburé (comburant/combustible) dans la chambre de combustion soit le plus homogène possible. 100061 De plus, afin d'assurer un bon rendement ainsi qu' une bonne vitesse de combustion, il est souhaitable d'avoir un haut niveau de turbulence, et plus spécifiquement un haut niveau d'énergie cinétique turbulente, à l'instant de l'allumage du mélange carburé et au cours de la combustion qui suit. 100071 Ce niveau de turbulence élevé peut être atteint grâce à l'emploi d'une aérodynamique d'admission particulière, le swumble. Ce type d'aérodynamique se caractérise par le fait que le mouvement macroscopique du mélange carburé est un composé de swirl (mouvement rotatif des gaz dans le cylindre autour d'un axe vertical cylindre) et de tumble (mouvement rotatif des gaz dans le cylindre selon un axe longitudinal moteur). 100081 Le swirl, qui est un mouvement macroscopique de rotation du mélange carburé autour d'un axe colinéaire à l'axe du cylindre, se caractérise par une bonne 2 conservation au cours du processus d'admission et plus spécifiquement au cours de la remontée du piston. C'est un mouvement macroscopique aérodynamique qui est généralement utilisé pour les moteurs à combustion interne à allumage par compression où il est un bon moyen d'homogénéiser le mélange carburé. [0009] Le tumble est lui aussi un mouvement macroscopique de rotation du mélange carburé niais autour d'un axe globalement perpendiculaire à l'axe du cylindre. Il a la particularité de se transformer en mouvements aérodynamiques microscopiques qui créent de la turbulence lors de la remontée du piston. C'est un mouvement macroscopique aérodynamique qui est généralement utilisé pour les moteurs à combustion interne à allumage commandé où il est un bon moyen d'obtenir une vitesse de combustion appropriée. Par ailleurs, ce mouvement est assez sensible à la géométrie de la chambre de combustion ainsi qu'à la loi de levée, aussi bien en ternies d'étalement que hauteur de levée maximale. [0010] L'utilisation du swumble permet de bénéficier des avantages des deux structures aé- rodynamiques détaillées ci-dessus et donc de bénéficier d'une excellente homogénéisation et d'une meilleure vitesse de combustion grâce à un niveau de turbulence plus élevée lors de la phase de compression que ce qu'on observe avec les meilleurs moteurs à allumage commandé actuels. Technique antérieure [0011] Différentes solutions techniques ont été développées pour réaliser ces écoulements turbulents dans le cylindre. [0012] Une première solution est décrite notamment dans le brevet US6606975. Cette solution consiste à piloter un volet placé dans la conduite d'admission pour générer des turbulences. Ce brevet fait apparaître en outre la notion de swumble à faible charge. Une telle solution est complexe et pénalisante pour le remplissage du cylindre. [0013] Une deuxième solution est décrite notamment dans le brevet US5056486. Cette solution propose une définition de conduits d'admission asymétriques permettant de générer une aérodynamique complexe. Toutefois, cette solution nécessite un déphasage des ouvertures des soupapes d'admission, ce qui est pénalisant à forte charge. [0014] Une troisième solution est décrite notamment dans les demandes de brevet DE10128500 et EP1783341. Cette solution permet de générer une aérodynamique complexe à l'aide d'appendices passifs ou actifs dans le conduit d'admission. Dans les deux cas, ces appendices limitent le remplissage du cylindre en gaz. De plus, les appendices actifs nécessitent une commande rendant la solution complexe. [0015] Une quatrième solution est décrite notamment dans les demandes de brevet US 2008/0149063, IP 2010-261314 et US 2012160198. Cette solution consiste à générer des mouvements aérodynamiques du gaz dans le cylindre au moyen de masques placés 3 à l'extrémité du conduit d'admission. Toutefois, pour obtenir un mouvement aérodynamique du gaz de type swumble, il semble nécessaire d'utiliser deux masques par conduit d'admission ou d'utiliser des lois de levées de soupapes spécifiques, ce qui rend cette solution complexe. De plus, les masques utilisés limitent le remplissage du cylindre en gaz. [0016] De plus, les moteurs à combustion interne dont les cylindres sont pourvus de deux conduits d'admission ou des conduits siamois sont répandus (en d'autres termes des cylindres avec deux soupapes d'admission). Classiquement, ces cylindres peuvent être également pourvus de deux conduits d'échappement, et deux soupapes d'échappement, on parle alors de moteur quatre soupapes. Par rapport à la configuration à deux soupapes par cylindre, la moindre inertie mécanique d'un moteur quatre soupapes, résultant de l'allégement des pièces en mouvement, autorise des régimes moteur plus élevés, permettant ainsi un rendement et une puissance du moteur à combustion interne plus élevés. Résumé de l'invention [0017] Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients, au moyen d'un dispositif d'admission permettant d'obtenir, de manière simple, de bonnes performances du moteur, notamment avec une énergie turbulente importante et une structure aérodynamique du gaz de type swumble bien orienté dans le cylindre. Pour cela, la présente invention concerne un dispositif d'admission de gaz pour un cylindre d'un moteur à combustion interne. Le dispositif d'admission de gaz comporte deux conduits d'admission, deux soupapes d'admission, deux calibrations de la soupape d'admission, et dans chaque conduit d'admission, des moyens pour former un mouvement aérodynamique du gaz du type tumble dans le cylindres. En outre, pour chaque conduit d'admission, l'intersection entre le conduit d'admission et la cal ibration se fait selon une droite non parallèle au plan de la face feu. Cette inclinaison permet de générer un mouvement aérodynamique du type swirl dans le cylindre, qui se combine au tumble pour former un mouvement aérodynamique du type swumble. De plus, l'angle d'inclinaison de cette intersection est différent pour chaque conduit. Ainsi, grâce à cette dissymétrie des deux conduits d'admission, on génère un mouvement aérodynamique du gaz dans le cylindre de type swumble qui se place dans une conformation plus proche du mouvement aérodynamique du gaz de type tumble en fin de compression ce qui maximise la création d'énergie cinétique turbulente. [0018] L'invention concerne un dispositif d'admission de gaz pour un cylindre d'un moteur à combustion interne, ledit dispositif d'admission de gaz comprenant deux conduits d'admission, une soupape d'admission disposée dans chaque conduit d'admission, une calibration de soupape disposée à une extrémité de chaque conduit d'admission et dirigée vers la face feu dudit cylindre, et au sein de chaque conduit d'admission, des moyens pour générer un mouvement aérodynamique dudit gaz au sein dudit cylindre autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe dudit cylindre, dans lequel, à l'intrados de chacun desdits deux conduits d'admission, l'intersection entre chaque conduit d'admission et ladite calibration forme un segment de droite porté par une génératrice rectiligne formant un angle a compris entre 0 et 45' par rapport à un plan parallèle à ladite face feu dudit cylindre passant par un point d'intersection entre ledit conduit d'admission et ladite calibration. Lesdits angles a desdits deux conduits d'admission sont distincts. [0019] Selon un mode de réalisation, la différence entre lesdits angles a desdits deux conduits d'admission est un angle ti non nul compris entre 0 et 45', de préférence entre Oct et préférentiellement entre 1 et 15'. [0020] Conformément à une mise en oeuvre, ledit conduit d'admission pour lequel l'angle a le plus élevé est le conduit d'admission générant le mouvement aérodynamique du gaz dans le cylindre dont la direction est la plus proche de l'axe dudit cylindre. [0021] Selon un aspect, ledit angle a desdits deux conduits d'admission est compris entre 0 et 20', de préférence entre 0 et 16'. [0022] De préférence, ledit angle a est non nul pour lesdits deux conduits d'admission. [0023] Selon une option de réalisation, lesdits moyens pour générer un mouvement aéro- dynamique du gaz au sein dudit cylindre autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe dudit cylindre sont constitués par la forme de chacun desdits deux conduits d'admission, notamment au moyen d'une forme de tremplin, et/ou d'une convergence de la section de passage (lesdits deux conduits d'admission, et/ou une inclinaison desdits deux conduits d'admission. [0024] Avantageusement, lesdits deux conduits d'admission forment un conduit siamois d'admission comportant deux sorties de gaz vers ledit cylindre et deux soupapes d'admission. [0025] Selon une mise en oeuvre, chacun desdits deux conduits d'admission comporte un masque qui obture partiellement lesdits deux conduits d'admission. [0026] Conformément à un mode de réalisation, lesdits deux conduits d'admission sont sen- siblement parallèles. [0027] En outre, l'invention concerne un moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre pourvu au moins d'un dispositif d'admission selon l'une des caractéristiques précédentes, d'au moins un dispositif d'échappement, et de moyens d'injection de carburant. [0028] D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. Liste des figures 100291 Ifie.11 100301 La figure 1 illustre un dispositif d'admission selon un mode de réalisation de l'invention dans sa position en mode de fonctionnement. 100311 Ifie.21 [0032] La figure 2 illustre des vues de l'intrados d'un conduit d'admission d'un dispositif d'admission de gaz respectivement selon l'art antérieur et selon un mode de réalisation de l'invention dans sa positionnement en mode de fonctionnement. [0033] [fig.3] [0034] La figure 3 illustre des vues de l'intrados d'un dispositif d'admission de gaz dans sa position de fonctionnement selon un mode de réalisation de l'invention. [0035] [fig.4] [0036] La figure 4 illustre une vue de dessus d'un cylindre équipé d'un dispositif d'admission de gaz dans sa position de fonctionnement selon un mode de réalisation de l' invention. [0037] [fig.5] [0038] La figure 5 illustre deux courbes du turnble en fonction de l'angle vilebrequin (CAD = « crank angle dcgree »), l'une pour un conduit d'admission selon l'invention, et l'autre pour un conduit d'admission selon une réalisation non conforme à l'invention. [0039] [fig.6] [0040] La figure 6 illustre deux courbes de l'énergie cinétique turbulente en fonction de l'angle vilebrequin, l'une pour un conduit d'admission selon l'invention, et l'autre pour un conduit d'admission selon une réalisation non conforme à l'invention. [0041] [fig.7] [0042] La figure 7 est un graphique du compromis tumble-perrnéabilité pour des dispositifs d'admission selon l'art antérieur et pour le dispositif d'admission selon l'invention. Description des modes de réalisation 100431 La présente invention concerne un dispositif d'admission de gaz pour un cylindre d'un moteur à combustion interne. Il s'agit d'un dispositif d'admission avec deux conduits d'admission. 100441 Le dispositif d'admission de gaz comporte : deux conduits d'admission de gaz pour l'admission d'un gaz dans un cylindre, - une soupape d'admission insérée dans chaque conduit d'admission, l'ouverture de la soupape permettant l'entrée du gaz dans le cylindre, - une pièce de calibration de la soupape d'admission disposée à l'extrémité de chaque soupape d'admission vers le cylindre, la calibration étant dirigée vers la face feu du cylindre, la calibration de la soupape d'admission est une pièce 6 mécanique sensiblement cylindrique dans laquelle se déplace la soupape, au sein de chaque conduit d'admission, des moyens de déviation du gaz pour générer un mouvement aérodynamique du gaz au sein du cylindre selon une direction perpendiculaire à l'axe du cylindre, en d'autres termes des moyens pour former un mouvement aérodynamique du gaz de type tumble, [0045] On appelle face feu ou face combustion, le plan inférieur de la culasse (du moteur à combustion interne) orthogonal à l'axe du cylindre. La calibration de la soupape est insérée dans le plan inférieur de la culasse de manière à alimenter le cylindre en gaz. [0046] Par rapport à la configuration à une soupape d'admission par cylindre, la moindre inertie mécanique d'un moteur avec deux soupapes d'admission par cylindre, résultant de l'allégement des pièces en mouvement, autorise des régimes moteur plus élevés, permettant ainsi un rendement et une puissance du moteur à combustion interne plus élevés. [0047] Selon l'invention, le dispositif d'admission est formé de telle sorte que, à l'intrados de chaque conduit d'admission, l'intersection entre le conduit d'admission et la calibration de la soupape, forme un segment de droite portée par une génératrice rectiligne formant un angle a compris entre 0 et 45', par rapport à un plan parallèle à la face feu et passant par un point d'intersection entre le conduit d'admission et la calibration de la soupape. On appelle intrados du conduit d'admission, la face inférieure du conduit d'admission (quand le conduit d'admission est dans sa position de fonctionnement). Ainsi, l'intersection (qui est un segment de droite) de la face inférieure du conduit d'admission avec la calibration de soupape est inclinée par rapport à un plan parallèle à la face feu. Cette inclinaison permet une déviation du gaz à l'entrée de la calibration, et a fortiori à l'entrée du cylindre. Cette déviation de gaz forme un mouvement aérodynamique du gaz dans le cylindre selon une direction parallèle à l'axe du cylindre, en d'autres termes un mouvement aérodynamique du gaz de type swirl. Cette inclinaison peut se traduire par une rotation du conduit d'admission au niveau de son extrémité (l'extrémité du conduit d'admission est alors vrillée), ce qui favorise le mouvement aérodynamique du gaz de type swirl. De plus, cette réalisation permet de réaliser un mouvement aérodynamique du gaz de type swirl sans aucun appendice particulier de type masque, volet ou lame. De plus, l'architecture de ce dispositif d'admission ne présente aucune contrainte supplémentaire pour une implantation dans une culasse de moteur à combustion interne monocylindre ou multicylindre. [0048] L'inclinaison selon un angle a compris entre 0 et 45° permet la génération d'un mouvement aérodynamique du gaz de type swirl. Au-delà de 45°, la géométrie du conduit d'admission est complexe et difficile à réaliser. [0049] Par combinaison des mouvements aérodynamiques du gaz de type tumble et de type 7 swirl, le dispositif d'admission du gaz selon l'invention permet un mouvement aérodynamique du gaz de type swumble dans le cylindre, ce qui permet de bénéficier d'une excellente homogénéisation et d'une meilleure vitesse de combustion grâce à un niveau de turbulence plus élevé lors de la phase de compression que ce qu'on observe avec les meilleurs moteurs à allumage commandé actuels. [0050] Selon un aspect de l'invention, la section de passage du conduit d'admission peut avoir une forme sensiblement rectangulaire, avec les coins arrondis. Dans ce cas, l'intersection du conduit d'admission et la calibration de la soupape est formée par quatre arêtes : une du côté de l'intrados, une sur l'extrados, et deux latérales. [0051] Selon un exemple dece mode de réalisation, la section de passage rectangulaire du conduit d'admission au niveau de l'intersection avec la calibration de soupape est inclinée par rapport à la direction de la face feu. En d'autres termes, aucune des arrêtes de la section de passage rectangulaire n'est parallèle ou perpendiculaire à un plan parallèle à la face feu. [0052] Selon l'invention, les deux conduits d'admission sont dissymétriques. Les angles a de chaque conduit d'admission sont distincts. En d'autres ternies, les génératrices formées par l'intersection entre la calibration et l'intrados des deux conduits d'admission ne sont pas parallèles. Ccttc dissymétrie permet une bonne orientation du mouvement aérodynamique du gaz de type swumble dans le cylindre, en particulier en fin de compression : le mouvement aérodynamique du gaz se place dans une conformation plus proche du mouvement aérodynamique du gaz de type tumble ce qui maximise la création d'énergie cinétique turbulente. De plus, l'architecture du dispositif d'admission selon l'invention ne présente aucune contrainte supplémentaire pour une implantation dans une culasse d'un moteur, ce qui est un avantage notable en comparaison avec les solutions actuelles pour obtenir un mouvement aérodynamique du gaz de type swumble. [0053] De préférence, les deux conduits peuvent être sensiblement parallèles. [0054] Avantageusement, les deux conduits peuvent comprendre des moyens identiques pour générer un mouvement aérodynamique de type tumble. [0055] Ces deux caractéristiques facilitent la conception du dispositif d'admission de gaz dans le cylindre. [0056] Selon un mode de réalisation de l'invention, la différence b entre les angles a des deux conduits d'admission peut être un angle non nul compris entre 0 et 450, de préférence entre 0 et 15°, et préférentiellement entre 1 et 15°. Ces plages angulaires permettent d'optimiser la bonne orientation du mouvement aérodynamique du gaz de type swumble dans le cylindre. [0057] Conformément à une mise en oeuvre de l'invention, le conduit d'admission qui est incliné de l'angle a le plus élevé est le conduit d'admission générant le mouvement aé- 8 rodynamique du gaz dans le cylindre dont la direction est plus proche de l'axe (du centre) du cylindre. Ce conduit d'admission peut alors être appelé conduit intérieur, le deuxième conduit d'admission peut alors être appelé conduit extérieur. En d'autres termes, le conduit d'admission dont le mouvement aérodynamique du gaz en sortie se rapproche de l'axe du cylindre est incliné d'un angle a supérieur à l'angle a du conduit d'admission dont le mouvement aérodynamique du gaz en sortie se rapproche d'une paroi du cylindre. Ainsi, le conduit intérieur génère un mouvement aérodynamique de type swirl plus important que le conduit extérieur, et le conduit extérieur génère un mouvement aérodynamique du gaz plus proche d'un mouvement aérodynamique de type tumble. Toutefois, la paroi du cylindre (proche du conduit extérieur) enroule et redirige le mouvement aérodynamique du gaz issu du conduit extérieur vers l'axe du cylindre et s'ajoute au mouvement aérodynamique de type swumble. De cette manière, le flux de gaz provenant du conduit intérieur oriente fortement l'écoulement vers un mouvement aérodynamique de gaz de type swumble. Cette configuration permet un gain significatif en turbulence au sein du cylindre, au point mort haut par rapport à une configuration symétrique des conduits d'admission, ce qui permet un gain en rendement de combustion. [0058] Le gaz est un comburant ou un mélange carburé (cas de l'injection indirecte), et peut comprendre notamment de l'air à pression ambiante, de l'air suralimenté, un mélange d'air (suralimenté ou non) et de gaz brûlés. [0059] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'angle a. peut être compris entre 0 et 200, et de manière préférée entre 0 et 16°. Ces plages angulaires permettent d'optimiser le mouvement aérodynamique du gaz de type swirl, et ainsi d'optimiser les mouvements aérodynamiques du gaz combinées de type swumble. En raison de la différence angulaire des deux inclinaisons, au moins un angle a d'un conduit d'admission est non nul. De préférence, l'angle a d'au moins un conduit d'admission est supérieur ou égal à 5°. En dessous de 5°, l'inclinaison est insuffisante pour avoir une influence significative sur le mouvement aérodynamique du gaz dans le cylindre. [0060] Selon un mode de réalisation préféré, l'angle a peut être non nul pour les deux conduits d'admission. Ce mode de réalisation permet de générer un mouvement aérodynamique du gaz de type swumble plus important. [0061] De préférence, l'angle est compris entre 00 et la valeur de l'angle a la plus élevée entre les deux conduits (bornes exclues). En d'autres termes, on peut écrire l'inégalité : 0 REVENDICATIONS[Revendication 1] Dispositif d'admission de gaz pour un cylindre d'un moteur à combustion interne, ledit dispositif d'admission de gaz (1) comprenant deux conduits d'admission (Sa, 5h), une soupape d'admission (4) disposée dans chaque conduit d'admission (Sa, 5h), une calibration de soupape (6a, 6b) disposée à une extrémité de chaque conduit d'admission (Sa, Sb) et dirigée vers la face feu (FF) dudit cylindre, et au sein de chaque conduit d'admission (Sa, Sb), des moyens pour générer un mouvement aérodynamique dudit gaz au sein dudit cylindre autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe dudit cylindre, dans lequel, à l'intrados de chacun desdits deux conduits d'admission (5a, 5b), l'intersection (7a, 7b) entre chaque conduit d'admission (5a, 5b) et ladite calibration (4) forme un segment de droite porté par une génératrice rectiligne (YaYa, YbYb) formant un angle ch compris entre 0 et 45° par rapport à un plan parallèle à ladite face feu (FF) dudit cylindre passant par un point d'intersection entre ledit conduit d'admission et ladite calibration, caractérisé en ce que lesdits angles a desdits deux conduits d'admission (5a, 5b) sont distincts. [Revendication 2] Dispositif d'admission selon la revendication 1, dans lequel la différence entre lesdits angles u desdits deux conduits d'admission (5a, 5b) est un angle él non nul compris entre 0 et 45°, de préférence entre 0 et 15°, et préférentiellement entre 1 et 15°. [Revendication 3] Dispositif d'admission selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit conduit d'admission (5a) pour lequel l'angle a le plus élevé est le conduit d'admission générant le mouvement aérodynamique du gaz dans le cylindre dont la direction est la plus proche de l'axe (0) dudit cylindre. [Revendication 4] Dispositif d'admission selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit angle u desdits deux conduits d'admission (5a, 5b) est compris entre 0 et 20°, de préférence entre 0 et 16°. [Revendication 5] Dispositif d'admission selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit angle u est non nul pour lesdits deux conduits d'admission (5a, 5b). [Revendication 6] Dispositif d'admission selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens pour générer un mouvement aérodynamique du gaz au sein dudit cylindre autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe dudit cylindre sont constitués par la forme de chacun desdits 17 [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] deux conduits d'admission, notamment au moyen d'une forme de tremplin (9), et/ou d'une convergence (8) de la section de passage desdits deux conduits d'admission (Sa, 5b), et/ou une inclinaison desdits deux conduits d'admission (5a, Sb). Dispositif d'admission selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits deux conduits d'admission (5a, 5b) forment un conduit siamois d'admission comportant deux sorties de gaz vers ledit cylindre et deux soupapes d'admission. Dispositif d'admission selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chacun desdits deux conduits d'admission (Sa, 5b) comporte un masque qui obture partiellement lesdits deux conduits d'admission (5a, 5b). Dispositif d'admission selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits deux conduits d'admission (5a, 5b) sont sensiblement parallèles. Moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre pourvu au moins d'un dispositif d'admission (1) selon l'une des revendications précédentes, d'au moins un dispositif d'échappement, et de moyens d'injection de carburant.