FR2916234A3 - Helice de conduit d'admission de moteur a combustion interne,generatrice de tourbillons - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une hélice (40) destinée à être rapportée au débouché (30, 32) d'un conduit d'admission (21) d'une culasse (20) d'un moteur à combustion interne, comportant un anneau porteur (41) qui est apte à être inséré et bloqué dans ledit débouché et qui délimite une ouverture de passage circulaire d'axe (S) et de rayon donnés, et une pluralité d'ailettes (43) qui sont solidarisées à une de leurs extrémités audit anneau porteur et qui s'étendent à partir de celui-ci radialement en direction de l'axe de ladite ouverture de passage.Selon l'invention, chaque ailette présente une longueur comprise entre 0,75 et 0,9 fois ledit rayon.

Description

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention

concerne de manière générale le remplissage en gaz d'admission des moteurs à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement une hélice destinée à être rapportée au débouché d'un conduit d'admission d'une culasse d'un moteur à combustion interne, comportant un anneau porteur qui est apte à être inséré et bloqué dans ledit débouché et qui délimite une ouverture de passage circulaire d'axe et de rayon donnés, et une pluralité d'ailettes qui sont solidarisées à une de leurs extrémités audit anneau porteur et qui s'étendent à partir de celui-ci radialement en direction de l'axe de ladite ouverture de passage. Elle concerne également une culasse de moteur à combustion interne comportant un socle qui forme au moins une tête de cylindre et qui est percé d'au moins un conduit d'admission débouchant au niveau de ladite tête de cylindre, le débouché de chaque conduit d'admission formant un premier alésage, et un siège de soupape inséré dans ledit premier alésage. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Classiquement, l'admission en gaz d'un cylindre d'un moteur à combustion interne se fait via un ou plusieurs conduits d'admission percés dans la culasse du moteur. Pour réguler le débit de gaz d'admission, chaque conduit d'admission comporte une soupape d'admission qui ouvre et ferme cycliquement ce conduit. En position fermée, la soupape d'admission repose sur un siège de soupape disposé à la jonction du conduit d'admission et du cylindre. La géométrie intérieure du conduit d'admission revêt une importance primordiale dans le remplissage en gaz d'admission des cylindres. Cette géométrie influence en effet non seulement le débit d'air frais circulant dans le conduit d'admission d'air, c'est-à-dire sa perméabilité, mais aussi l'importance des mouvements tourbillonnaires dans la chambre de combustion tels que les tourbillons d'axes parallèles aux axes des cylindres communément appelés mouvements de swirl.

Ces mouvements de swirl influencent le bon fonctionnement des moteurs à allumage commandé dans la mesure où ils améliorent l'homogénéisation du carburant et des gaz d'admission au sein des cylindres. Afin de générer de tels mouvements tourbillonnaires, on connaît déjà du document FR 2 362 997 un moteur à combustion interne qui comporte un anneau disposé dans un conduit d'admission d'air d'un cylindre du moteur, contre le siège de soupape de ce conduit. Le bord périphérique intérieur de cet anneau porte en saillie des aubes qui s'étendent librement vers le centre du conduit d'admission.

Ces aubes sont conçues pour dévier les gaz d'admission afin de les rendre tourbillonnaires et de provoquer ainsi un mouvement de swirl dans le cylindre du moteur. Dans ce document, la géométrie des aubes a été prévue pour réaliser un compromis entre la force des mouvements de swirl qu'elles impriment aux gaz d'admission et l'importance des pertes de charge qu'elles induisent sur les gaz d'admission. Le compromis choisi a été d'étendre les ailettes sur une partie seulement de la section de passage du conduit d'admission d'air. Ces ailettes présentent à cet effet des longueurs comprises entre 0,5 et 0,7 fois le rayon du conduit d'admission d'air. OBJET DE L'INVENTION La présente invention propose quant à elle une nouvelle hélice, telle que définie en introduction, dans laquelle chaque ailette présente une longueur comprise entre 0,75 et 0,9 fois ledit rayon.

De cette manière, les ailettes s'étendent jusqu'à proximité du corps cylindrique de la soupape associée au conduit d'admission d'air, c'est-à-dire sur l'ensemble de la section de passage du conduit d'admission d'air. Contre toute attente, une telle hélice génère des pertes de charge limitées, si bien que la perméabilité du conduit d'admission d'air est très peu réduite. En revanche, elles dévient l'ensemble du flux de gaz d'admission entrant dans les cylindres et impriment en conséquence un fort mouvement de swirl aux gaz d'admission. Par conséquent, le mélange de carburant et de gaz d'admission dans les cylindres est parfaitement homogène et les performances du moteur sont fortement accrues. Selon une première caractéristique avantageuse de l'hélice conforme à l'invention, les ailettes sont solidarisées, du côté de leurs extrémités opposées à l'anneau porteur, à un anneau glisseur qui est concentrique avec l'anneau porteur et qui est apte à coulisser, avec ou sans contact, le long d'un corps d'une soupape traversant ladite ouverture de passage. Ainsi, le flux de gaz d'admission ne peut pas passer entre l'anneau glisseur et le corps de la soupape. Au contraire, il est contraint de passer à proximité des ailettes qui le dévient. Avantageusement, chaque ailette s'étend longitudinalement selon une ligne moyenne qui forme, avec l'axe de ladite ouverture de passage, un angle compris entre 10 et 90 degrés. Les ailettes s'étendent entre l'anneau porteur et l'anneau glisseur selon une ligne longitudinale. Les ailettes peuvent être rectilignes ou courbées, si bien que la ligne longitudinale peut être droite ou courbe. La ligne moyenne est alors définie comme la droite située de telle sorte que la somme des aires situées (entre la ligne moyenne et la ligne longitudinale) au-dessus de la ligne moyenne est égale à la somme des aires situées en dessous de cette ligne. Ici, l'angle que forme la ligne moyenne et l'axe de l'ouverture de passage permet à l'hélice de sensiblement épouser la forme de la partie évasée de la soupape d'admission. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, chaque ailette présente des sections transversales inclinées d'un angle d'inclinaison compris entre 0 et 70 degrés par rapport à l'axe de ladite ouverture de passage. Chaque ailette présente une face avant faisant face au flux de gaz d'admission qui est inclinée. Cette face avant dévie donc ce flux pour générer les mouvements de swirl. La face avant de chaque ailette peut présenter une section droite ou courbe dont la ligne moyenne est inclinée par rapport à l'axe de ladite ouverture de passage. Préférentiellement, l'angle d'inclinaison de chaque ailette varie sur la longueur de cette ailette de manière décroissante depuis son extrémité raccordée audit anneau porteur jusqu'à son autre extrémité.

Cette variation a pour conséquence que chaque ailette présente une forme vrillée autour de sa ligne moyenne. Cette forme leur permet de dévier progressivement le flux de gaz d'admission, de manière que les pertes de charge induites par l'hélice restent limitées. Avantageusement, l'angle d'inclinaison de chaque ailette est compris entre 60 et 70 degrés à proximité de son extrémité raccordée audit anneau porteur, tandis que son angle d'inclinaison est compris entre 0 et 10 degrés à proximité de son autre extrémité. Avantageusement, ledit anneau porteur et lesdites ailettes sont réalisés d'une seule pièce par moulage d'une matière plastique.

Avantageusement, le nombre d'ailettes est compris entre 3 et 6. Préférentiellement, chaque ailette présente une largeur comprise entre 2 et 5 millimètres. Cette largeur est faible, si bien que les pertes de charge générées par l'hélice restent modérées.

L'invention concerne également une culasse telle que définie en introduction, dans laquelle le débouché de chaque conduit d'admission forme également un second alésage situé au-dessus dudit premier alésage et dans laquelle il est prévu une telle hélice insérée et bloquée dans ledit second alésage. Selon une caractéristique avantageuse de la culasse selon l'invention, le socle est percé de deux conduits d'admission qui présentent des géométries différentes et auxquels sont associées deux hélices dont les ailettes présentent des géométries différentes. II n'est généralement pas possible de réaliser des conduits d'admission de formes identiques pour alimenter en gaz d'admission chaque cylindre du moteur. Par conséquent, l'écoulement des gaz d'admission diffère légèrement d'un conduit d'admission à l'autre, ce qui a pour conséquence de modifier les performances de chaque cylindre du moteur. Utiliser des hélices de géométries différentes permet d'uniformiser le remplissage de chaque cylindre du moteur afin d'égaliser leurs performances. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue d'ensemble en coupe longitudinale d'un moteur à combustion interne comportant une hélice selon l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail, en perspective, de la zone II de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en perspective de l'hélice de la figure 1. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une section d'un bloc-moteur d'un moteur à combustion interne 10, ici à allumage commandé. Ce bloc- moteur comporte un bloc-cylindres 14 pourvu de cylindres 14A en lignes d'axes V verticaux, par exemple au nombre de quatre, dont un seul d'entre eux est ici représenté. Ce bloc-cylindres 14 est raccordé, sur sa partie inférieure, à un carter d'huile 15 renfermant de l'huile destinée à lubrifier les différents organes du moteur, et, sur sa partie supérieure, à une culasse 20 elle-même recouverte d'un couvre-culasse 11. Classiquement, le cylindre 14A loge un piston 17 qui est adapté à coulisser le long de sa paroi interne selon un mouvement rectiligne alternatif d'axe confondu avec l'axe V du cylindre 14A.

Le piston 17 présente une jupe périphérique qui est percée transversalement de deux ouvertures d'accueil d'un axe lié à une extrémité d'une bielle 18. L'autre extrémité de cette bielle 18 est liée, par l'intermédiaire d'une liaison excentrique, à un vilebrequin 19. Ainsi, le mouvement rectiligne alternatif du piston 17 permet d'entraîner en rotation le vilebrequin 19 du moteur à combustion interne 10. La culasse 20 du moteur à combustion interne 10 présente un socle 20A 5 globalement parallélépipédique. Plus précisément, le socle 20A de la culasse 20 comporte une face inférieure tournée vers le bloc-cylindres 14, présentant quatre renflements intérieurs qui forment quatre têtes de cylindre 29 destinées à fermer les extrémités supérieures des quatre cylindres 14A du bloc-cylindres 14. Ces têtes de cylindre 29 présentent ici chacune une forme de cône dont le sommet pointe en direction du couvre-culasse 11. Les cylindres 14A délimitent ainsi, avec les têtes de cylindre 29 et les pistons 17 qui leur sont associés, une chambre de combustion 16. Une bougie d'allumage 9 est agencée au sommet de chaque tête de cylindre 29 et débouche à l'intérieur du cylindre 14A associé.

Pour l'admission en gaz d'admission et en carburant de chaque cylindre 14A, la culasse 20 est percée de deux conduits d'admission 21 par cylindre qui prennent naissance dans un répartiteur d'air 12 et qui débouchent au niveau de la tête de cylindre 29 du cylindre 14A correspondant. Le carburant est ici classiquement injecté dans les gaz d'admission au moyen d'injecteurs ad hoc (non représentés) qui débouchent dans ces conduits d'admission 21. Pour l'échappement de gaz brûlés en dehors de chaque cylindre 14A, la culasse 20 est en outre percée de deux conduits d'échappement 22 par cylindre qui prennent naissance sur la tête de cylindre 29 du cylindre 14A correspondant et qui débouchent dans un collecteur d'échappement 13.

Les débouchés des conduits d'admission 21 et d'échappement 22 sont régulièrement répartis sur la surface conique de chaque tête de cylindre 29. Ces conduits d'admission 21 et d'échappement 22 sont adaptés à être obturés respectivement par des soupapes d'admission 23 et des soupapes d'échappement 24 qui régulent le débit d'arrivée de gaz d'admission ou de sortie de gaz brûlés dans chaque cylindre 14A du bloc-cylindres 14 du moteur à combustion interne 10. Ces soupapes d'admission 23 et d'échappement 24 présentent des corps cylindriques 23A adaptés à coulisser dans des paliers lisses 27, 28 de la culasse 20. Elles sont commandées en position par des arbres à cames 25, 26 qui sont disposés dans la culasse 20 et qui sont liés en rotation au vilebrequin 19. Comme l'illustre plus particulièrement la vue de détail de la figure 2, le débouché de chaque conduit d'admission 21 dans la chambre de combustion 16 comporte un élargissement de section 30. Cet élargissement de section 30 loge un siège de soupape 31. Ce siège de soupape 31 présente une forme d'anneau d'axe S confondu avec l'axe de la soupape 23, dont la face latérale externe est ajustée en force dans ledit élargissement de section 30 du conduit d'admission 21 pour l'y maintenir. L'arête basse de la face latérale interne de ce siège de soupape 31 est chanfreinée de manière à accueillir une partie évasée de la soupape d'admission 23 lorsque cette dernière obture le conduit d'admission 21. Pour ouvrir un passage pour les gaz d'admission, cette partie évasée de la soupape est adaptée à s'écarter de son siège de soupape. Le diamètre intérieur du siège de soupape 31 est sensiblement égal au diamètre intérieur du conduit d'admission 21 de manière que le siège de soupape ne réduit absolument pas la section du conduit d'admission 21. Comme le montrent les figures 1 et 2, la culasse 20 accueille en outre, dans chacun de ses conduits d'admission 21, une hélice 40 génératrice de mouvements tourbillonnaires. Plus précisément, le débouché de chaque conduit d'admission 21 comporte un alésage cylindrique 32 qui est situé juste au-dessus de l'élargissement de section 30 et qui est prévu pour accueillir cette hélice 40 (figure 2).

Comme le montrent les figures 2 et 3, cette hélice 40 comporte un anneau externe appelé anneau porteur 41 ainsi que six ailettes 43 (également appelées aubes). L'anneau porteur 41 présente une section en forme de rectangle, une très faible épaisseur, de l'ordre de 0,2 millimètre et une faible hauteur, de l'ordre de 2 millimètres. Il présente en outre un diamètre extérieur qui est égal, au jeu près, au diamètre intérieur de l'alésage cylindrique 32 du conduit d'admission 21. Ce jeu est plus particulièrement prévu pour que l'anneau porteur 41 puisse être inséré en force dans l'alésage cylindrique 32. Cette insertion en force génère alors un maintien rigide de l'hélice 40 dans le conduit d'admission 21, quelle que soit la température du moteur. L'anneau porteur 41 forme une ouverture de passage 44 au travers de laquelle les gaz d'admission peuvent circuler, qui présente un rayon R égal à environ 30 millimètres. L'anneau porteur 41 présente ici un axe de symétrie de révolution confondu avec l'axe S du siège de soupape 31. Les six ailettes 43 sont quant à elles réparties uniformément dans l'ouverture de passage 44 de l'anneau porteur 41 (tous les 60 degrés). Elles s'étendent radialement depuis la face intérieure de l'anneau porteur 41 vers l'axe S.

Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, chaque ailette 43 présente une longueur comprise entre 0,75 et 0,9 fois ledit rayon R de l'ouverture de passage 44 définie par l'anneau porteur 41. Cette longueur est ici égale à 0,8 fois ce rayon.

L'hélice 40 comporte par ailleurs un anneau interne appelé anneau glisseur 42. Selon le mode de réalisation préférentiel représenté sur les figures 2 et 3, les six ailettes s'étendent jusqu'à la face extérieure de cet anneau glisseur 42, de manière à raccorder les anneaux porteur et glisseur entre eux.

L'anneau glisseur 42 et l'anneau porteur 41 son coaxiaux. Cet anneau glisseur 42 présente également une section en forme de rectangle, une très faible épaisseur, de l'ordre de 0,2 millimètre, et une hauteur environ égale à 5 millimètres. Le diamètre intérieur de cet anneau glisseur 42 est égal, au jeu près, au diamètre du corps cylindrique 23A de la soupape 23. Ce jeu est plus particulièrement prévu pour que l'anneau glisseur 42 puisse glisser le long du corps cylindrique 23A de la soupape 23. En variante, l'anneau glisseur pourrait présenter un diamètre très légèrement supérieur à celui du corps cylindrique 23A de la soupape 23 (entre 0,5 et 2 millimètres supplémentaires), de manière que le mouvement relatif de l'hélice 40 et de la soupape 23 ne génère aucun frottement.

Les six ailettes 43 sont quant à elles formées par des lamelles qui présentent des épaisseurs et largeurs constantes (respectivement égales à 0,2 millimètres et 4 millimètres) et qui sont vrillées. Plus précisément, les ailettes 43 s'étendent en longueur selon des axes longitudinaux Al sécants et inclinés par rapport à l'axe S, si bien que l'anneau glisseur 42 est situé en aval de l'anneau porteur 41. Ici, les axes longitudinaux Al des ailettes 43 forment avec l'axe S des angles B1 égaux à 60 degrés. Les ailettes 43 sont vrillées autour de leurs axes longitudinaux Al. Ainsi, si l'on considère des sections transversales des ailettes 43, ces sections sont inclinées, par rapport à l'axe S, d'un angle d'inclinaison B2 qui varie d'une extrémité à l'autre des ailettes. Cet angle d'inclinaison B2 varie ici continûment et linéairement. Il est égal à 5 degrés au niveau des extrémités des ailettes 43 raccordées à l'anneau glisseur 42. Il est égal à 70 degrés au niveau des extrémités des ailettes 43 raccordées à l'anneau porteur 41. La jonction de chaque ailette 43 avec l'anneau porteur 41 forme, sur la tranche de cet anneau, une excroissance de forme triangulaire. Préférentiellement, l'anneau porteur 41, l'anneau glisseur 42 et les ailettes 43 sont réalisés d'une seule pièce par moulage d'une matière plastique rigide, résistante à la chaleur. Comme le montrent les figures 1 et 2, lorsque des gaz d'admission circulent dans le conduit d'admission 21, les ailettes 43 forment des tremplins qui dévient le flux de gaz d'admission de sa trajectoire initiale. De ce fait, le flux de gaz d'admission présente des mouvements tourbillonnaires d'axes confondus avec l'axe S de la soupape d'admission 23. Puis, lorsque les gaz d'admission entrent dans le cylindre 14A, ces mouvements tourbillonnaires génèrent des tourbillons d'axes parallèles à l'axe V du cylindre 14A, appelés mouvements de swirl. Ces tourbillons influencent le bon fonctionnement du moteur dans la mesure où ils améliorent l'homogénéité des gaz d'admission et du carburant au sein de la chambre de combustion 16. Préférentiellement, les hélices 40 disposées dans les différents conduits d'admission 21 de la culasse 20 sont toutes identiques. En variante, les géométries des ailettes peuvent varier d'une hélice à l'autre. Ces hélices peuvent en effet être conçues de manière que, malgré les différences de géométries des différents conduits d'admission, le remplissage et les performances de chaque cylindre du moteur soient identiques. Plus précisément, selon cette variante, les conduits d'admission qui induisent peu de pertes de charge sur le flux de gaz d'admission sont munis d'hélices présentant des ailettes de faibles superficies et peu inclinées par rapport à l'axe S. Au contraire, les conduits d'admission qui induisent de fortes pertes de charge sur le flux de gaz d'admission sont munis d'hélices présentant des ailettes de superficies plus importantes et très inclinées qui améliorent efficacement le remplissage des cylindres correspondants.

Dans la même optique, seuls certains conduits d'admission peuvent être pourvus d'hélices selon l'invention, tandis que les autres en sont dépourvus. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Hélice (40) destinée à être rapportée au débouché (30, 32) d'un conduit d'admission (21) d'une culasse (20) d'un moteur à combustion interne (10), comportant un anneau porteur (41) qui est apte à être inséré et bloqué dans ledit débouché (30, 32) et qui délimite une ouverture de passage (44) circulaire d'axe (S) et de rayon (R) donnés, et une pluralité d'ailettes (43) qui sont solidarisées à une de leurs extrémités audit anneau porteur (41) et qui s'étendent à partir de celui-ci radialement en direction de l'axe (S) de ladite ouverture de passage (44), caractérisée en ce que chaque ailette (43) présente une longueur comprise entre 0,75 et 0,9 fois ledit rayon.

2. Hélice (40) selon la revendication précédente, dans laquelle les ailettes (43) sont solidarisées à l'autre de leurs extrémités à un anneau glisseur (42) qui est concentrique avec l'anneau porteur (41) et qui est apte à coulisser, avec ou sans contact, le long d'un corps (23A) d'une soupape (23) traversant ladite ouverture de passage (44).

3. Hélice (40) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle chaque ailette (43) s'étend longitudinalement selon une ligne moyenne (Al) qui forme, avec l'axe (S) de ladite ouverture de passage (44), un angle (B1) compris entre 10 et 90 degrés.

4. Hélice (40) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle chaque ailette (43) présente des sections transversales inclinées d'un angle d'inclinaison (B2) compris entre 0 et 70 degrés par rapport à l'axe (S) de ladite ouverture de passage (44).

5. Hélice (40) selon la revendication précédente, dans laquelle l'angle d'inclinaison (B2) de chaque ailette (43) varie sur la longueur de cette ailette (43) de manière décroissante depuis son extrémité raccordée audit anneau porteur (41) jusqu'à son autre extrémité.

6. Hélice (40) selon l'une des deux revendications précédentes, dans laquelle l'angle d'inclinaison (B2) de chaque ailette (43) est compris entre 60 et 70 degrés à proximité de son extrémité raccordée audit anneau porteur (41), tandis que son angle d'inclinaison (B2) est compris entre 0 et 10 degrés à proximité de son autre extrémité.

7. Hélice (40) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit anneau porteur (41) et lesdites ailettes (43) sont réalisés d'une seule pièce par moulage d'une matière plastique.

8. Hélice (40) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle 10 le nombre d'ailettes est compris entre 3 et 6.

9. Hélice (40) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle chaque ailette (43) présente une largeur comprise entre 2 et 5 millimètres.

10. Culasse (20) de moteur à combustion interne (10) comportant : - un socle (20A) qui forme au moins une tête de cylindre (29) et qui est percé d'au moins un conduit d'admission (21) débouchant au niveau de ladite tête de cylindre (29), le débouché de chaque conduit d'admission (21) formant un premier alésage (30), - un siège de soupape (31) inséré dans ledit premier alésage (30), caractérisée en ce que le débouché de chaque conduit d'admission (21) forme également un second alésage (32) situé au-dessus dudit premier alésage (30) et en ce qu'il est prévu une hélice (40) selon l'une des revendications précédentes insérée et bloquée dans ledit second alésage (32).

11. Culasse (20) selon la revendication précédente, dans laquelle le socle (20A) est percé de deux conduits d'admission (21) qui présentent des géométries différentes et auxquels sont associées deux hélices (40) dont les ailettes (42) présentent des géométries différentes.