FR3094410A1 - Moteur a combustion interne comprenant au moins une vanne situee en amont de la soupape d’admission - Google Patents

Moteur a combustion interne comprenant au moins une vanne situee en amont de la soupape d’admission Download PDF

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Abstract

L’invention porte sur un moteur à combustion interne (100) comprenant au moins un cylindre (1) présentant un corps de cylindre (10) délimitant, avec un piston (2) monté à l’intérieur de celui-ci, une chambre de combustion (3), au moins un circuit d’alimentation (4) de la chambre de combustion (3) en air, des moyens d’injection (6) d’un carburant dans l’air, au moins un circuit d’échappement (5) des gaz issus de la combustion du mélange de l’air et du carburant dans la chambre de combustion (3), au moins deux soupapes (8, 9), l’une au moins des soupapes étant une soupape d’admission de l’air dans la chambre de combustion (3), l’autre soupape étant une soupape d’échappement des gaz dans le circuit d’échappement, caractérisé en ce que le circuit d’alimentation (4) en air est pourvu d’au moins une vanne d’alimentation (12) située en amont de la soupape d’admission. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1

Description

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE COMPRENANT AU MOINS UNE VANNE SITUEE EN AMONT DE LA SOUPAPE D’ADMISSION
La présente invention concerne le domaine des moteurs.
L’invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre présentant un corps de cylindre délimitant, avec un piston monté à l’intérieur de celui-ci, une chambre de combustion, au moins un circuit d’alimentation de la chambre de combustion en air, des moyens d’injection d’un carburant dans l’air, au moins un circuit d’échappement des gaz issus de la combustion du mélange de l’air et du carburant dans la chambre de combustion, au moins deux soupapes, l’une au moins des soupapes étant une soupape d’admission de l’air dans la chambre de combustion, l’autre soupape étant une soupape d’échappement des gaz dans le circuit d’échappement.
De manière classique, il est utilisé dans un moteur thermique à combustion interne des soupapes pour introduire dans la chambre de combustion du moteur soit un comburant, généralement de l'air, soit un mélange carburé et des soupapes pour évacuer les gaz d'échappement. Les soupapes permettent d’avoir une bonne étanchéité de fermeture aux fortes pressions liées aux phases de compression et de combustion des moteurs à combustion interne. De la fin de phase de combustion à la fin de la phase d’admission, les pressions et donc les contraintes d’étanchéité sont faibles.
Le fonctionnement usuel d'un moteur équipé de soupapes est confronté à plusieurs problèmes.
En premier lieu, les contraintes liées aux moteurs à soupapes, simples ou multiples, sont connues. Afin d’assurer un passage suffisant aux gaz au niveau des orifices d'admission et d'échappement, il est nécessaire de disposer, soit d’un nombre important de soupapes, soit de soupapes de large diamètre et à levée rapide. Ces dernières soupapes présentent l’inconvénient de rendre le fonctionnement du moteur bruyant et de nécessiter de forts ressorts de rappel pour éviter le phénomène de flottement ou d'affolement. Par ailleurs, les logements requis pour de telles soupapes impactent la forme de la culasse et l’emplacement des bougies, qui s’avèrent non optimaux. Enfin, ces soupapes d’échappement subissent un fort échauffement.
En deuxième lieu, les moteurs à combustion interne sont fréquemment utilisés en faisant varier leur régime moteur. Or les besoins d’un moteur à ses différents régimes sont le plus souvent différents, et notamment ceux de leur alimentation en air ou en charge fraîche. De même si l'on cherche à faire varier la puissance d'un moteur à combustion interne, il faudra faire varier cette alimentation en air ou en charge fraîche. La résolution de ces problèmes passe habituellement, soit par un réglage de compromis des avances et retards à l’ouverture et à la fermeture des soupapes fixé pour toutes les plages de fonctionnement du moteur qui est trouvé pour satisfaire à ces différents besoins, soit en faisant varier les avances à l'ouverture et à la fermeture des soupapes ainsi que leurs levées par des moyens mécaniques ou électromécaniques.
En troisième lieu, après la phase d'échappement un pourcentage des gaz de combustion reste dans les cylindres du moteur qui ne sont pas évacués par les soupapes d'échappements. Si le croisement de soupapes est faible, le pourcentage de ces gaz par rapport à la charge fraîche sera important.
En quatrième lieu, dans le cas d'une avance à l'ouverture d'admission importante, la pression dans le conduit d'admission peut être inférieure à celle du cylindre. Il s'ensuit alors un refoulement des gaz de combustion dans le conduit d'admission, puis quand la pression a baissé dans le cylindre, ces gaz repartent dans le cylindre et pour finir dans le circuit d'échappement. Il s'ensuit une perte de performance du moteur du fait de ces trajets inutiles et du mélange des gaz de combustion avec la charge fraîche, ce qui est dommageable.
Dans le cas des moteurs à allumage commandé avec une alimentation en carburant en amont de la chambre de combustion, lors de la phase de croisement des soupapes, une quantité plus ou moins importante d'air carburé passe au travers de la chambre de combustion directement du circuit d'admission du moteur à celui de l'échappement. Il s'ensuit une perte de mélange carburé qui ne sera pas utilisé lors de la combustion et donc un surcroît de consommation de carburant et une pollution par des rejets d'hydrocarbure.
L’invention propose un moteur à combustion interne permettant de remédier aux problèmes susmentionnés.
OBJET DE L’INVENTION
A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose un moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre présentant un corps de cylindre délimitant, avec un piston monté à l’intérieur de celui-ci, une chambre de combustion, au moins un circuit d’alimentation de la chambre de combustion en air, des moyens d’injection d’un carburant dans l’air, au moins un circuit d’échappement des gaz issus de la combustion du mélange de l’air et du carburant dans la chambre de combustion, au moins deux soupapes, l’une au moins des soupapes étant une soupape d’admission de l’air dans la chambre de combustion, l’autre soupape étant une soupape d’échappement des gaz dans le circuit d’échappement, le moteur étant remarquable en ce que le circuit d’alimentation en air est pourvu d’au moins une vanne d’alimentation située en amont de la soupape d’admission.
La présence d’une vanne en amont de la soupape d’admission permet ainsi de faire varier l'avance et le retard de l'admission et d'éviter le refoulement des gaz d'échappement dans le circuit d'admission tandis que les soupapes conservent leur rôle de maintien de l'étanchéité du moteur pendant les phases de fortes pressions de la compression et de combustion. Les avances à l’ouverture des soupapes et leurs retards à la fermeture sont fixes et positionnés pour satisfaire aux besoins en avances et en retards les plus importantes du moteur sur toute ses différentes plages d’utilisation.
Avantageusement, la vanne d’alimentation est située en aval de l’injection du carburant dans l’air circulant dans le circuit d’alimentation.
Avantageusement, le circuit d’alimentation en air comporte deux conduits d’alimentation en air, distincts l’un de l’autre, l’un des conduits étant pourvu desdits moyens d’injection du carburant.
Avantageusement, la vanne d’alimentation est une vanne rotative commune aux deux conduits d’alimentation et commandée pour assurer une ouverture alternée desdits conduits ou la fermeture simultanée des deux conduits.
Avantageusement, chacun des conduits du circuit d’alimentation comporte une vanne d’alimentation.
Avantageusement, le circuit d’échappement des gaz est pourvu d’une vanne d’échappement située en aval de la soupape d’échappement des gaz.
Avantageusement, les vannes d’alimentation et d’échappement sont commandées par le calculateur du moteur.
Avantageusement, l’une au moins des soupapes forment conjointement une soupape d’admission d’air et une soupape d’échappement des gaz.
Avantageusement, le moteur comporte une première sonde de pression située en amont de la vanne d’alimentation pour la mesure de la pression de l’air et une deuxième sonde de pression située en aval de la vanne d’alimentation et en amont de la soupape d’alimentation.
Avantageusement, le circuit d’alimentation en air comporte un clapet anti-retour.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées et dans lesquelles :
La figure 1 représente un moteur diesel selon un premier exemple de réalisation de l’invention ;
La figure 2 représente un moteur à allumage commandé présentant un arrangement similaire au moteur diesel de la figure 1 ;
La figure 3 représente un moteur à allumage commandé selon un deuxième exemple de réalisation de l’invention ;
La figure 4 représente une variante de réalisation du moteur à allumage commandé de la figure 3 ;
La figure 5 représente une autre variante de réalisation du moteur à allumage commandé de la figure 3 ;
La figure 6 représente le principe de fonctionnement des moteurs illustrés sur les figures 1 à 5 concernant les problèmes d’avances et de retard d’admission et d’échappement ;
La figure 7 représente un moteur à allumage diesel selon un autre exemple de réalisation de l’invention dans lequel chaque soupape sert à l’admission puis à l’échappement ;
La figure 8 représente un moteur à allumage commandé selon un autre exemple de réalisation de l’invention dans lequel chaque soupape sert à l’admission puis à l’échappement ;
La figure 9 représente le principe de fonctionnement des moteurs illustrés sur les figures 7 et 8.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires des différents modes de réalisation sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.
Dans ce qui suit, les termes « en amont » et « en aval » sont définis par rapport au sens de circulation des fluides (air, carburant, gaz).
Le terme « vanne » comprend tout type de vannes, à savoir une vanne à voie multiple ou une vanne à une seule voie, ou tout autre équipement similaire tel que des tiroirs, des vannes rotatives, etc., et qui sont commandées soit électriquement, soit par commande électropneumatique ou par commande électrohydraulique.
En relation avec la figure 1, il est décrit un exemple de réalisation d’un moteur diesel selon l’invention.
Le moteur diesel 100 comprend, de manière classique, au moins un cylindre 1 présentant un corps 10 de cylindre délimitant, avec un piston 2 monté à l’intérieur de celui-ci, une chambre de combustion 3, un circuit d’alimentation 4 de la chambre de combustion 3 en air ainsi qu’un circuit d’échappement 5 des gaz issus de la combustion du mélange de l’air et du carburant dans la chambre de combustion 3, ainsi que des moyens d’injection 6 d’un carburant dans l’air. S’agissant d’un moteur diesel, les moyens d’injection 6 sont arrangés pour injecter le carburant directement dans la chambre de combustion 3. Le circuit d’alimentation 4 en air est séparé de la chambre de combustion 3 par une soupape d’admission 8. De même, le circuit d’échappement 5 est séparé de la chambre de combustion 3 par une soupape d’échappement 9 des gaz.
Selon l’invention, le circuit d’alimentation 4 en air comprend un conduit (conduit d’alimentation) équipé d’une vanne d’admission 12. Celle-ci est située en amont de la soupape d’admission, et avantageusement à proximité de cette dernière. Dans l’exemple illustré, elle est située en sortie du circuit d’alimentation.
Le circuit d’échappement 5 des gaz comprend également un conduit (conduit d’échappement) avantageusement équipé d’une vanne d’échappement 13. Celle-ci est située en aval de la soupape d’échappement 9 des gaz, et avantageusement à proximité de cette dernière. Dans l’exemple illustré, elle est située en entrée du circuit d’échappement.
Les vannes d’alimentation et d’échappement 12, 13 sont commandées par le calculateur du moteur qui en déclenche l'ouverture et la fermeture en fonction de l'angle du vilebrequin. Il peut les avancer ou retarder en fonction des choix faits pour le pilotage du moteur aux différents régimes de celui-ci.
Dans le mode de réalisation, le moteur 100 comporte deux sondes de pression destinées à mesurer la pression de l’air : une première sonde de pression 11 disposée en amont de la vanne d’admission 12 et une deuxième sonde de pression 14 disposée entre la vanne d’admission 12 et la soupape d’admission 8. Plus particulièrement, les sondes de pression sont disposées de part et d’autre de la vanne d’admission 12, au voisinage de cette dernière. Les sondes 11 et 14 sont reliées au calculateur du moteur. La différence de pression entre les sondes 11 et 14 doit être positive pour que soit déclenchée l’ouverture de la vanne 12 après le point mort bas.
La figure 2 illustre un exemple de réalisation selon l’invention d’un moteur à allumage commandé 110.
Le moteur à allumage commandé 110 reprend le même arrangement que celui du moteur diesel précédemment décrit hormis l’emplacement des moyens d’injection du carburant. Les moyens d’injection 6 du carburant sont aménagés pour injecter le carburant directement dans le conduit d’alimentation en air en amont de la vanne d’alimentation. Cette dernière est ainsi située entre les moyens d’injection 6 et la soupape d’admission.
Les figures 3, 4, 5 illustrent d’autres exemples de réalisation de moteurs à allumage commandé selon l’invention, désignés sous la référence commune 120. Chacun des moteurs à allumage commandé 120 illustrés présente un arrangement similaire, dans le principe, en ce que le circuit d’alimentation 4 en air comporte deux conduits d’alimentation en air, distincts l’un de l’autre, les moyens d’injection 6 étant raccordés à l’un desdits conduits. La figure 3 illustre un exemple d’arrangement de conduits d’alimentation. Dans l’exemple illustré, les deux conduits s’étendent parallèlement l’un à l’autre. Ils sont raccordés à la chambre de combustion 3 par une vanne rotative commune permettant une ouverture/fermeture alternée de ces conduits ou leur fermeture conjointe. Il peut être prévu également sans sortir du cadre de l’invention le fait que le conduit d’alimentation en air et le conduit d’alimentation en air/carburant soient équipés respectivement de sa vanne d’admission (figure 4). L’invention n’est bien entendu pas limitée à un arrangement parallèle des conduites d’alimentation en air en mélange carburé parallèles avec une ouverture dans la chambre de combustion 3, d’autres arrangements pouvant être prévus comme illustré par exemple sur la figure 5. L’arrangement illustré sur les figures 3, 4, 5 a pour avantage de ne pas utiliser de mélange carburé lors du croisement de soupapes, l'air passant durant toute cette phase par le circuit d'alimentation 40, ce qui permet de réduire la pollution et la consommation. Par ailleurs, du fait qu’il n’est pas utilisé de mélange carburé lors de la phase de croisement de soupape, celle-ci peut être, comme dans un moteur diesel, être avancée si la différence des pressions entre les sondes 11 et 14 est positive. Un meilleur balayage peut ainsi être réalisé.
Le principe de fonctionnement des moteurs illustré sur les figures de 1 à 5 est présenté sur la figure 6 pour ce qui concerne l’avance ou le retard de l’admission et l’échappement.
L’arrangement des moteurs 3, 4, 5 précédemment décrits permet de ne pas utiliser de mélange carburé pendant le balayage. Il s'ensuit un gain de consommation et une réduction de la pollution. L'absence de carburant dans l'air qui effectue le balayage permet, comme dans un moteur diesel, d'accroître l'avance à l'ouverture d'alimentation, sans accroître la consommation d'essence. On peut ainsi obtenir un balayage plus important et une réduction des gaz brûlés provenant du cycle précédent. Il s'ensuit un meilleur taux de remplissage en charge fraîche et donc gain de puissance. D'autre part, les soupapes d'échappement peuvent être aérées par une plus grande quantité d'air frais et voir ainsi leur température baisser.
Cet arrangement permet d’autre part de faire varier le moment de fermeture de l'échappement sans faire varier le moment de la fermeture des soupapes d'échappement. De même, il est possible de faire varier le moment de l'ouverture de l'alimentation en mélange carburé sans faire varier le moment d'ouverture de la soupape d'admission. Les ouvertures et fermetures des électrovannes étant commandées par le calculateur pilotant le moteur, on peut les faire varier en fonction des différents régimes du moteur et des performances que l'on attend de celui-ci. Le fonctionnement du moteur en ainsi optimisé.
La figure 7 illustre un autre exemple d’arrangement d’un moteur diesel. Ce dernier comprend un arrangement de deux soupapes, un circuit d’alimentation 4 en air de la chambre de combustion 3 et deux conduits d’échappement des gaz. Dans l’exemple précédemment décrit, le moteur diesel comprenait deux soupapes, l’une étant dédiée à l’admission de l’air (moteur diesel) ou de l’air et du mélangé carburé (moteur à allumage commandé), l’autre étant dédié à l’échappement des gaz. Dans l’exemple de réalisation illustré sur la figure 7, chacune des soupapes 80, 90 forme conjointement une soupape d’admission d’air et une soupape d’échappement des gaz. Pour ce faire, le circuit d’alimentation 4 en air comprend un conduit d’amenée d’air se divisant en deux embranchements 4A, 4B, l’un des embranchement 4A alimentant la chambre de combustion 3 via l’une des soupapes 80, l’autre embranchement 4B alimentant la chambre de combustion 3 via l’autre soupape 90. Les gaz issus de la combustion air et carburant injecté directement dans la chambre de combustion 3 sont évacués par deux conduits d’échappement 5A, 5B, l’un des conduits d’échappement 5A étant séparé de la chambre de combustion 3 par l’une des soupape 80, l’autre conduit d’échappement 5B étant séparé de la chambre de combustion 3 par l’autre soupape 90. Ainsi, chaque soupape délimite de la chambre de combustion 3 un conduit d’alimentation en air et un conduit d’échappement.
Chaque embranchement 4A, 4B de la conduite d’amenée d’air est équipé d’une vanne d’admission, 12a2 pour l’embranchement 4a, 12b2 pour l’embranchement 4B. Celles-ci sont situées en amont de chacune des soupapes 80, 90, et avantageusement à proximité de cette dernière. Dans l’exemple illustré, elles sont situées au niveau de la sortie des embranchements. Chaque conduit d’échappement 5A, 5B des gaz est également avantageusement équipé d’une vanne d’échappement, 13a pour le conduit 5A, 13b pour le conduit 5B. Celles-ci sont situées avantageusement à proximité de la soupape associée. Dans l’exemple illustré, elles sont situées en entrée du circuit d’échappement associé.
La figure 8 illustre un autre exemple de réalisation selon l’invention d’un moteur à allumage commandé. Le moteur à allumage commandé reprend le même arrangement que celui du moteur diesel illustré sur la figure 7 auquel il est adjoint les moyens d’injection 6.
Le principe de fonction des moteurs illustré sur les figures 7 et 8 est présenté sur la figure 9 pour ce qui concerne les avances et retard à l’admission et l’échappement.
Comme précédemment, les arrangements moteur illustrés sur les figures 7 et 8 ont l’avantage de permettre de faire varier l'avance et le retard de l'admission et l'échappement et d'éviter le refoulement des gaz d'échappement dans le circuit d'admission grâce à la présence de vannes ainsi que de contrôler le moment de l'admission grâce aux sondes de pression 11 et 14. Ils présentent également l’avantage d’utiliser toutes les soupapes pour l'échappement lors de la phase d'échappement ce qui accroit la capacité de respiration du moteur et uniformise les contraintes thermiques. Ils présentent également l’avantage d’utiliser toutes les soupapes lors de la phase d'admission ce qui accroit la capacité de respiration du moteur et uniformise le refroidissement. Ils présentent également l’avantage de changer, à chaque nouveau cycle du moteur, les soupapes utilisées pour l'admission et celles utilisées pour l'échappement lors du croisement de soupapes. Chaque soupape subit ainsi les mêmes contraintes thermiques que toutes les autres. Il n'est plus nécessaire d'avoir des soupapes différentes pour l'admission et l'échappement. Leur fabrication peut être uniformisée. Par ailleurs, la capacité d'évacuation des gaz étant plus grande, la pression baisse plus vite dans le cylindre lors de l'échappement. Ceci permet de retarder l'avance à l'ouverture d'échappement car le piston est alors moins gêné lors de sa remontée par la difficulté d'évacuation des gaz résiduels dans le cylindre. L'avance à l'ouverture d'échappement pouvant être retardée, le piston peut, lors de sa descente, récupérer une partie supplémentaire d'énergie qui aurait été autrement perdue. Ils présentent également l’avantage que l'ensemble des soupapes soient ouvertes de l'avance à l'ouverture d'échappement au retard à la fermeture d'admission. le temps d'action des soupapes est donc égal à la somme du temps d'utilisation des soupapes d'échappement avec le temps d'utilisation des soupapes d'admission d'un moteur classique. Leur temps d'ouverture étant plus long, il s’ensuit qu’elles subissent des contraintes mécaniques moins fortes.
Dans le moteur à allumage commandé 110 précédemment décrit, l’injection du carburant est réalisée en amont de la chambre de combustion 3. Il peut être prévu également des moteurs à allumage commandé ayant une injection réalisée directement dans la chambre de combustion sans sortir du cadre de l’invention.
Les descriptions de l’invention, les figures et explications l’illustrant ne comprennent que deux soupapes pour en expliquer le fonctionnement. L’invention est évidemment conçue, pour un plus grand nombre de soupapes sans sortir du cadre de l’invention.
L’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de réalisation de l’invention sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims (10)

  1. Moteur à combustion interne (100, 110, 120, 200, 210) comprenant :
    - au moins un cylindre (1) présentant un corps de cylindre (10) délimitant, avec un piston (2) monté à l’intérieur de celui-ci, une chambre de combustion (3)
    - au moins un circuit d’alimentation (4) de la chambre de combustion (3) en air,
    - des moyens d’injection (6) d’un carburant dans l’air,
    - au moins un circuit d’échappement (5) des gaz issus de la combustion du mélange de l’air et du carburant dans la chambre de combustion (3),
    - au moins deux soupapes (8, 9, 80, 90), l’une au moins des soupapes étant une soupape d’admission de l’air dans la chambre de combustion (3), l’autre soupape étant une soupape d’échappement des gaz dans le circuit d’échappement,
    caractérisé en ce que le circuit d’alimentation (4) en air est pourvu d’au moins une vanne d’alimentation (12) située en amont de la soupape d’admission.
  2. Moteur à combustion interne (100, 110, 120, 200, 210) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vanne d’alimentation (12) est située en aval de l’injection du carburant dans l’air circulant dans le circuit d’alimentation (4).
  3. Moteur à combustion interne (100, 110, 120, 200, 210) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit d’alimentation (4) en air comporte deux conduits d’alimentation en air, distincts l’un de l’autre, l’un des conduits étant pourvu desdits moyens d’injection (6) du carburant.
  4. Moteur à combustion interne (100, 110, 120, 200, 210) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vanne d’alimentation (12) est une vanne rotative commune aux deux conduits d’alimentation et commandée pour assurer une ouverture alternée desdits conduits.
  5. Moteur à combustion interne (100, 110, 120, 200, 210) selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacun des conduits du circuit d’alimentation (4) comporte une vanne d’alimentation.
  6. Moteur à combustion interne (100, 110, 120, 200, 210) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d’échappement (5) des gaz est pourvu d’une vanne d’échappement (13) située en aval de la soupape d’échappement des gaz (9, 90).
  7. Moteur à combustion interne (100, 110, 120, 200, 210) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les vannes d’alimentation et d’échappement (8, 9, 80, 90) sont commandées par le calculateur du moteur.
  8. Moteur à combustion interne (100, 110, 120, 200, 210) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’une au moins des soupapes (80, 90) forment conjointement une soupape d’admission d’air et une soupape d’échappement des gaz.
  9. Moteur à combustion interne (100, 110, 120, 200, 210) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une première sonde de pression (11) située en amont de la vanne d’alimentation (12) pour la mesure de la pression de l’air et une deuxième sonde de pression (14) située en aval de la vanne d’alimentation (12) et en amont de la soupape d’alimentation (8, 80).
  10. Moteur à combustion interne (100, 110, 120, 200, 210) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d’alimentation (4) en air comporte un clapet anti-retour.
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