FR2910541A1 - Gas intake system for e.g. direct injection petrol engine, has wheel ramp arranged in gas intake conduit at level of concave side and placed near valve seat, where wheel ramp is obtained by molding in sand core mold - Google Patents
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Abstract
Description
SYSTEME D'ADMISSION DE GAZ POUR LA GENERATION D'ECOULEMENT DE ROTATIONGAS INTAKE SYSTEM FOR ROTATIONAL FLOW GENERATION
ENERGETIQUE DE TUMBLE La présente invention se rapporte à un système d'admission de gaz dans au moins une chambre de combustion de moteur à combustion interne, qui comporte au moins un conduit d'admission des gaz, notamment d'air, comportant un extrados et un intrados et qui débouche dans la chambre par un orifice de sortie obturé par une soupape d'admission Dans les moteurs à essence, notamment les moteurs à injection directe, la tendance actuelle est à l'appauvrissement des mélanges carburés dans les chambres de combustion, c'est-à-dire à l'utilisation de mélanges dans lequel il y a un fort excès d'air par rapport à la quantité de carburant introduite dans le cylindre. En utilisant des mélanges plus pauvres, on stabilise l'initiation de la combustion, on limite le cliquetis et on réduit de manière importante la consommation de carburant et la production de substances polluantes résultant du carburant imbrûlé. Par ailleurs, cet apport supplémentaire d'air permet d'éviter le rejet à l'échappement de carburant imbrûlé. Pour atteindre une efficacité maximale, la distribution du mélange appauvri doit être uniforme et homogène à travers la chambre de combustion. The present invention relates to a system for admitting gas into at least one internal combustion engine combustion chamber, which comprises at least one gas intake duct, in particular air duct, comprising an extrados and a lower surface and which opens into the chamber through an outlet port closed by an intake valve In gasoline engines, including direct injection engines, the current trend is to the depletion of fuel mixtures in the combustion chambers, that is to say the use of mixtures in which there is a large excess of air relative to the amount of fuel introduced into the cylinder. By using poorer mixtures, the initiation of combustion is stabilized, the rattling is limited and the fuel consumption and production of pollutants resulting from the unburned fuel are substantially reduced. Moreover, this additional supply of air makes it possible to avoid the rejection of unburnt fuel at the exhaust. To achieve maximum efficiency, the distribution of the depleted mixture must be uniform and homogeneous throughout the combustion chamber.
C'est pourquoi, des mouvements aérodynamiques tourbillonnaires intenses, et plus précisément des écoulements de rotation énergétique dits de tumble , sont générés dans la chambre de combustion d'un moteur à essence. Ces mouvements de tumble résident dans la mise en rotation du flux d'air dans la chambre de combustion selon un axe parallèle à l'axe du vilebrequin. Cet enroulement de gaz provenant des conduits d'admission vient alors se heurter au piston lors de sa remontée pour se 2910541 -2-décomposer en une multitude de structures turbulentes, démultipliant la surface du front de flamme. Les solutions pour générer des tourbillons de tumble dans la chambre de combustion proposées dans l'art antérieur consistent à 5 disposer des protubérances, souvent mobiles par actionnement mécanique, dans les conduits d'admission. Cependant, pour générer les niveaux de tourbillon nécessaires, ces protubérances doivent être volumineuses et entravent de manière importante le passage des gaz d'admission. La 10 perméabilité des conduits d'admission, c'est-à-dire la capacité du conduit à faire circuler les gaz, se trouve alors fortement diminuée et les performances du moteur réduites. Des systèmes ont tenté de limiter ce phénomène de perte de perméabilité en utilisant des protubérances mobiles mais ces 15 solutions deviennent complexes mécaniquement et peu avantageuses économiquement. L'invention vise à provoquer un dilution importante et homogène du mélange dans la chambre de combustion tout en préservant les performances du moteur. This is why intense aerodynamic swirling movements, and more specifically so-called tumbling energy rotation flows, are generated in the combustion chamber of a gasoline engine. These tumble movements reside in the rotation of the air flow in the combustion chamber along an axis parallel to the axis of the crankshaft. This winding of gas from the intake ducts then comes into collision with the piston during its ascent to decompose into a multitude of turbulent structures, demultipliant the surface of the flame front. The solutions for generating tumble vortices in the combustion chamber proposed in the prior art consist in arranging the protuberances, often movable by mechanical actuation, in the intake ducts. However, to generate the necessary vortex levels, these protuberances must be bulky and significantly impede the passage of the intake gases. The permeability of the intake ducts, i.e., the duct's ability to circulate the gases, is then greatly diminished and the engine performance reduced. Systems have attempted to limit this phenomenon of loss of permeability by using moving protuberances but these solutions become mechanically complex and economically disadvantageous. The invention aims to cause a large and homogeneous dilution of the mixture in the combustion chamber while preserving the performance of the engine.
20 On propose un système d'admission de gaz du type précité dans lequel un élément générateur de tumble est disposé dans le conduit d'admission au niveau de l'intrados, à proximité du siège de soupape. Suivant des modes particuliers de réalisation, le système 25 d'admission de gaz comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : l'élément générateur de tumble est fixe et solidaire de la culasse, ce qui est particulièrement avantageux économiquement ; 30 l'élément générateur de tumble est disposé sur l'intrados sur une étendue angulaire comprise entre 105 et 135 ; l'élément générateur de tumble présente une section longitudinale en forme de demi tore ; 2910541 -3 - le rapport entre le rayon du demi tore et le rayon du conduit d'admission est compris dans l'intervalle [3%, 8%], pour limiter la diminution de la section du conduit ; - l'élément générateur de tumble est disposé sur l'intrados 5 à une distance du siège de soupape comprise entre [1 mm, 3mm] et de préférence à 2mm. l'élément générateur de tumble est obtenu par moulage dans un moule à noyau de sable, permettant la réalisation économique d'une tel élément générateur de tumble.There is provided a gas inlet system of the aforesaid type in which a tumble generating element is disposed in the intake duct at the intrados, near the valve seat. According to particular embodiments, the gas admission system comprises one or more of the following features: the tumble generating element is fixed and integral with the cylinder head, which is particularly advantageous economically; The tumble generating element is disposed on the intrados over an angular extent of between 105 and 135; the tumbling generating element has a longitudinal section in the form of a half-torus; The ratio between the radius of the half-torus and the radius of the intake duct is in the range [3%, 8%], in order to limit the reduction of the section of the duct; the tumble generating element is disposed on the intrados 5 at a distance from the valve seat of between [1 mm, 3 mm] and preferably at 2 mm. the tumbling generating element is obtained by molding in a sand core mold, allowing the economic realization of such a tumble generating element.
10 L'invention concerne également un moteur à combustion interne comportant un système d'admission de gaz selon l'invention disposé dans la culasse pour la génération de mouvements tourbillonnaires de tumble dans la chambre de combustion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 15 apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante du mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en liaison avec les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un conduit d'admission selon l'invention; 20 la figure 2 est une vue en transparence de dessus de conduits d'admission selon l'invention ; la figure 3 est un détail de la coupe de la figure 1 ; les figures 4A et 4B présentent respectivement une comparaison du taux de tumble et de la perméabilité en 25 fonction de la levée de soupape pour des conduits non modifiés et des conduits selon l'invention. Afin de faciliter la compréhension de la description, on utilisera une orientation amont , aval correspondant à la direction générale d'écoulement des gaz dans le système 30 d'admission. La figure 1 présente un conduit d'admission 10 selon l'invention suivant une coupe longitudinale d'une culasse. Ce conduit d'admission 10 permet d'amener des gaz de la gauche de la figure, à partir d'un répartiteur d'admission, non 2910541 -4 représenté, jusque dans une chambre de combustion 20, en bas à droite de la figure, pour participer à la combustion par un orifice de sortie de conduit d'admission 11. Ce conduit 10 présente un extrados 12, la paroi supérieure 5 sur la figure, et un intrados 13, la paroi inférieure sur la figure. Un orifice 14 est formé dans l'extrados 12 pour loger une queue de soupape, dans lequel elle coulisse, et qui commande une soupape, non représentée. La soupape est alors mobile en translation pour obturer ou 10 ouvrir l'orifice de sortie de conduit d'admission 11, ce qui permet de réguler la quantité de gaz admis dans la chambre de combustion 20. Dans les phases de fonctionnement du moteur pour lesquelles les gaz d'admission ne pénètrent pas dans la chambre de combustion 20, la soupape repose sur un siège de soupape 15 à 15 l'extrémité aval du conduit d'admission 10, au niveau de son orifice de sortie 11. L'étanchéité est assurée par la complémentarité des formes de la face amont de la soupape et la face aval du siège de soupape 15. Puis, la soupape se translate vers l'aval et pénètre 20 progressivement dans la chambre de combustion 20 en fonction de la commande. On définie alors une levée de soupape qui représente le degré de translation de la soupape dans le cylindre 20 pour permettre l'introduction des gaz. Selon l'invention, un élément générateur de tumble 16 est 25 disposé dans la partie aval du conduit d'admission 10 et préférentiellement à proximité du siège de soupape 15. On place cet élément 16 sur l'intrados 13 du conduit d'admission 10, on le qualifie alors de tremplin de tumble . Cet élément 16 est fixe et solidaire de la culasse.The invention also relates to an internal combustion engine comprising a gas intake system according to the invention arranged in the cylinder head for the generation of vortex tumbling movements in the combustion chamber. Other characteristics and advantages of the invention will become clear from reading the following description of the nonlimiting embodiment thereof, in conjunction with the appended drawings in which: FIG. 1 is a longitudinal sectional view of FIG. an intake duct according to the invention; Figure 2 is a top view of intake ducts according to the invention; Figure 3 is a detail of the section of Figure 1; FIGS. 4A and 4B respectively show a comparison of the tumble ratio and permeability as a function of the valve lift for unmodified conduits and conduits according to the invention. In order to facilitate the understanding of the description, an upstream, downstream orientation corresponding to the general flow direction of the gases in the intake system will be used. Figure 1 shows an intake duct 10 according to the invention in a longitudinal section of a cylinder head. This intake duct 10 makes it possible to bring gases from the left of the figure, from an inlet manifold, shown No. 2, into a combustion chamber 20, at the bottom right of the FIG. , to participate in the combustion by an inlet duct outlet orifice 11. This duct 10 has an extrados 12, the upper wall 5 in the figure, and a lower surface 13, the lower wall in the figure. An orifice 14 is formed in the upper surface 12 to house a valve stem, in which it slides, and which controls a valve, not shown. The valve is then movable in translation to close or open the inlet duct outlet orifice 11, which makes it possible to regulate the quantity of gas admitted into the combustion chamber 20. In the operating phases of the engine for which the inlet gases do not enter the combustion chamber 20, the valve rests on a valve seat 15 at the downstream end of the intake duct 10, at its outlet orifice 11. The seal is This is ensured by the complementarity of the shapes of the upstream face of the valve and the downstream face of the valve seat 15. Then, the valve is translated downstream and penetrates progressively into the combustion chamber 20 as a function of the control. A valve lift is then defined which represents the degree of translation of the valve into the cylinder 20 to allow the introduction of the gases. According to the invention, a tumble generating element 16 is disposed in the downstream portion of the intake duct 10 and preferably near the valve seat 15. This element 16 is placed on the intrados 13 of the intake duct 10 it is then called a springboard of tumble. This element 16 is fixed and integral with the cylinder head.
30 Ce tremplin de tumble 16 présente une forme adaptée qui permet à la fois de générer des turbulences tourbillonnaires de tumble et à la fois de ne pas entraver de manière significative la circulation des gaz dans le conduit d'admission. 2910541 -5- Selon un mode préféré de l'invention, le tremplin 16 présente selon une coupe longitudinale du conduit d'admission 10, une section en forme de demi tore. On peut également utiliser d'autres formes géométriques qui 5 présentent des arêtes arrondies, telles que des sections en forme de demi ellipse par exemple. L'élément 16 peut aussi présenter des faces amont et aval différentes, tout en conservant de préférence l'arête amont arrondie. Sur la figure 2 sont représentés deux conduits d'admission 10 10 de gaz dans une chambre de combustion 20 conformément à l'invention. Sur cette figure, on peut observer la proximité de ces tremplins 16, des sièges de soupape 15. De manière plus précise, l'encart montre l'étendue angulaire des tremplins 16 sur la circonférence des conduits d'admission 10.This tumble springboard 16 has a suitable shape which allows both to generate turbulent vortex turbulence and at the same time not to significantly impede the flow of gases in the intake duct. According to a preferred embodiment of the invention, the springboard 16 has, in a longitudinal section of the intake duct 10, a section in the form of a half-torus. Other geometric shapes that have rounded edges, such as half-elliptical sections for example, may also be used. The element 16 may also have different upstream and downstream faces, while preferably maintaining the rounded upstream edge. In Figure 2 are shown two gas intake ducts 10 10 in a combustion chamber 20 according to the invention. In this figure, one can observe the proximity of these springboards 16, the valve seats 15. More precisely, the insert shows the angular extent of the springboards 16 on the circumference of the intake ducts 10.
15 Selon le mode de réalisation représenté, l'étendue angulaire est avantageusement de 120 . Une telle valeur permet de maximiser la répartition de l'élément 16 dans le conduit d'admission 10 tout en permettant de réaliser ces tremplins 16 économiquement par une modification du moule à noyau de sable.According to the embodiment shown, the angular extent is advantageously 120. Such a value makes it possible to maximize the distribution of the element 16 in the intake duct 10 while making it possible to realize these springboards 16 economically by a modification of the sand core mold.
20 Un tel procédé de fabrication est particulièrement économique et reproductible et nécessite de réaliser le tremplin de tumble sur un côté du moule uniquement tout en se laissant un marge de sécurité, de 30 latéralement ici. Pour les raisons précitées, et pour des soucis d'optimisation, 25 l'étendue angulaire du tremplin de tumble 16 sur la circonférence des conduits 10 sera comprise dans l'intervalle [105, 135 ]. La figure 3 est une représentation détaillée de la coupe de la figure 1 qui détaille les dimensions et la localisation de l'élément 16. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément 30 16 a une forme de demi tore dont le rayon est choisi en fonction de la diminution de la section du conduit 10 admise. On choisit alors un rapport entre le rayon du demi tore et le rayon de l'orifice de sortie du conduit 11 compris dans l'intervalle [3%, 8%]. Ce rapport de dimension doit en effet être contenu pour 2910541 -6 ne pas trop diminuer la section du conduit 10 qui affecte sa perméabilité. Selon ce mode de réalisation préféré, l'élément 16 est placé à une distance comprise dans l'intervalle [1 mm, 3mm] du siège de 5 soupape et préférentiellement à une distance de 2mm. Les figures 4A et 4B présentent respectivement les variations relatives du tumble et de la perméabilité en fonction de la levée de soupape d'un système d'admission de gaz pour des conduits selon l'invention par rapport à des conduits d'admission non modifiés, 10 c'est-à-dire sans élément générateur de tumble 16. Ces graphiques présentent plus particulièrement, des résultats d'un mode de réalisation préféré de l'invention, qui sont optimisés pour des levées de soupape comprises entre 60 et 70% de la levée de soupape maximale.Such a manufacturing process is particularly economical and reproducible and requires the tumbling springboard to be formed on one side of the mold only while leaving a margin of safety, laterally here. For the foregoing reasons, and for optimization purposes, the angular extent of the tumble spring 16 on the circumference of the conduits 10 will be in the range [105, 135]. FIG. 3 is a detailed representation of the section of FIG. 1 which details the dimensions and the location of the element 16. According to a preferred embodiment of the invention, the element 16 has a half-toroid shape of which the radius is chosen according to the decrease of the section of the conduit 10 admitted. A ratio is then chosen between the radius of the half-torus and the radius of the outlet orifice of duct 11 in the range [3%, 8%]. This dimension ratio must indeed be contained to reduce the section of the duct 10 which affects its permeability. According to this preferred embodiment, the element 16 is placed at a distance in the range [1 mm, 3 mm] from the valve seat and preferably at a distance of 2 mm. FIGS. 4A and 4B respectively show the relative variations of the tumble and the permeability as a function of the valve lift of a gas intake system for conduits according to the invention with respect to unmodified intake ducts, That is, without a tumbling generating element 16. These graphs more particularly show results of a preferred embodiment of the invention, which are optimized for valve leaflets between 60 and 70% of the time. the maximum valve lift.
15 Pour de faibles valeurs de levée de soupape, c'est-à-dire jusqu'à 50% de la valeur de levée de soupape maximum, le tumble généré par les conduits selon l'invention est proche du tumble généré dans des conduits non modifiés. Puis, à partir d'une levée de soupape supérieure à 50% de la 20 levée de soupape maximale, on assiste à une augmentation du tumble généré par les conduits objets de l'invention par rapport aux conduits non modifiés. Cette amélioration augmente avec la levée de soupape jusqu'à atteindre une augmentation de 35% pour une levée de 25 soupape correspondant à environ 90% de la levée de soupape maximale. Parallèlement, la figure 4B montre que pour des valeurs de levée de soupape inférieure à 50% de la valeur de levée de soupape maximum, la perméabilité des conduits selon l'invention est égale à 30 celle des conduits non modifiés Puis à partir d'une levée de soupape supérieure à 50% de la valeur de levée de soupape maximum, la perméabilité des conduits selon l'invention devient inférieure à celle des conduits non 2910541 -7-modifiés, c'est-à-dire que la quantité de gaz admis dans le cylindre est moindre que dans le cas de conduits non modifiés. Dans la plage de levée de soupape optimisée, comprise entre 60 et 70% de levée de la levée de soupape maximale, la 5 dégradation de la perméabilité est faible et comprise entre 1,5 et 3% pour une augmentation relative du tumble comprise entre 18 et 22%. Les réalisations décrites précédemment ne sont pas limitatives, l'invention pouvant trouver application à différents types de conduits d'admission.For low valve lift values, i.e., up to 50% of the maximum valve lift value, the tumble generated by the conduits according to the invention is close to the tumble generated in non-vented conduits. changed. Then, from a valve lift greater than 50% of the maximum valve lift, there is an increase in the tumble generated by the conduits object of the invention compared to unmodified conduits. This improvement increases with the valve lift until reaching a 35% increase for a valve lift corresponding to about 90% of the maximum valve lift. At the same time, FIG. 4B shows that for valve lift values less than 50% of the maximum valve lift value, the permeability of the conduits according to the invention is equal to that of the unmodified conduits. valve lift greater than 50% of the maximum valve lift value, the permeability of the ducts according to the invention becomes lower than that of non-modified ducts 2910541 -7-that is to say, the amount of gas admitted in the cylinder is less than in the case of unmodified conduits. In the optimized valve lift range, between 60 and 70% lift of the maximum valve lift, the permeability degradation is low and between 1.5 and 3% for a relative increase of the tumble of between 18 and 30%. and 22%. The embodiments described above are not limiting, the invention being applicable to different types of intake ducts.
10 En particulier, des conduits d'admission selon l'invention peuvent être disposés dans des culasses comportant des nombres de conduits d'admission différents ainsi que dans des moteurs fonctionnant avec d'autres types de carburant dans lesquels on souhaite générer des mouvements de tumble.In particular, intake ducts according to the invention may be arranged in cylinder heads having different numbers of intake ducts as well as in engines operating with other types of fuel in which it is desired to generate tumble movements. .
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