Domaine technique de l'invention

L'invention concerne les moteurs à combustion interne, et plus particulièrement le contrôle de l'admission d'air de combustion.

Arrière-plan technologique

Les contraintes sur les normes européennes et internationales sur les émissions de polluants et de gaz à effet de serre devenant de plus en plus sévères, il est plus que jamais indispensable de rechercher de nouvelles voies pour limiter les émissions à la source des moteurs à combustion interne. Au cœur de cette problématique, le système de combustion et son environnement (aérodynamique, système d'injection...) doivent relever de nouveaux challenges en terme d'efficacité et de contrôle.

Dans le cas des moteurs à combustion interne, cette efficacité est fortement influencée par un meilleur contrôle de la préparation du mélange et des structures aérodynamiques de l'écoulement. La combustion, sa tolérance aux mélanges fortement dilués ou pauvres et la réduction des émissions à l'échappement se trouvent alors directement liées à la faculté de maîtriser ces processus.

Pour arriver à de tels résultats, il est connu de générer une forte turbulence dans les chambres de combustion. Pour ce faire on crée dans le cylindre moteur un mouvement tourbillonnaire dit de «tumble» dont l'axe de rotation principal est sensiblement perpendiculaire à celui du cylindre moteur ou encore un mouvement tourbillonnaire dit de « swirl » dont l'axe de rotation est sensiblement autour de l'axe longitudinal du cylindre moteur.

De nombreux dispositifs ont été proposés pour créer et / ou intensifier ces mouvements tourbillonnaires.

Parmi ces dispositifs, on connait du document FR2761406 un moteur à combustion interne à injection directe comprenant une tubulure d'admission pour amener un flux d'air de combustion dans une chambre de combustion. La tubulure d'admission est conformée géométriquement pour imprimer, par le guidage forcé du flux d'air de combustion dans le tronçon terminal courbe de la tubulure d'admission, un mouvement tourbillonnaire de type « swirl » dans le cylindre moteur. La tubulure d'amission comprend de plus un dispositif pour soutenir la formation du mouvement tourbillonnaire. Ledit dispositif comprend, d'une part, l'injection au flux d'air de combustion d'un flux d'air additionnel entrant. Dans une variante, le dispositif peut aussi comprendre l'aspiration d'un flux d'air additionnel sortant. Les flux d'air additionnels sont amenés par des conduits d'alimentation d'air et répartis en plusieurs flux partiels par des orifices d'entrée et des orifices de sortie disposés en forme d'anneau sur le pourtour du canal d'admission, les orifices d'entrée étant à peu près en regard des orifices de sortie, à distance de la soupape d'admission, dans le tronçon terminal courbe de la tubulure d'admission. Les flux d'air additionnels entrants et sortants sont amenés aux orifices par des conduites d'alimentation d'air respectives et le contrôle des débits de ces flux d'air additionnels transitant dans les conduites est réalisé par des volets de réglage montés dans lesdites conduites.

La déviation du flux d'air de combustion est obtenue grâce au fait que le vecteur résultant des sens des écoulements de fluide additionnels dans la tubulure d'admission est orienté dans le sens du mouvement tourbillonnaire à engendrer. Les flux additionnels sont amenés sur le coté du flux d'air de combustion qui est placé à l'arrière en référence au sens du mouvement tourbillonnaire. Ainsi, le vecteur résultant des sens des écoulements de fluide additionnels est orienté de façon à intensifier et soutenir, en imprimant un moment cinétique supplémentaire, le mouvement de rotation du flux d'air de combustion.

Cependant, d'une part, un tel dispositif de contrôle du débit par volet de réglage, ne permet pas faire une régulation quantitative précise des débits des flux additionnels injectés. D'autre part un tel moyen de contrôle par volet de réglage ne permet pas de faire une régulation de l'intensité du mouvement tourbillonnaire précise car il n'est pas apte à suivre avec un faible temps de réponse les variations des points de fonctionnement moteur.

De plus, ce dispositif est dédié à l'amplification d'un mouvement d'air tourbillonnaire autour de l'axe longitudinal du cylindre dit de « swirl », le document FR2761406 ne propose pas de mode de réalisation et ne dit rien en ce qui concerne le contrôle d'un mouvement d'air tourbillonnaire de type « tumble » autour d'un axe de rotation principal sensiblement perpendiculaire à celui du cylindre moteur.

L'invention a pour but de pallier les inconvénients précités en proposant un nouveau procédé apte à contrôler finement et de manière réactive un mouvement tourbillonnaire de type « tumble ». L'invention concerne donc un procédé de contrôle d'écoulement d'un fluide d'admission pour un moteur à combustion interne comportant au moins une tubulure d'admission dudit fluide avec une portion terminale courbe débouchant dans un cylindre moteur, un moyen d'injection d'un fluide additionnel, la portion terminale courbe étant conformée pour imprimer au fluide d'admission un mouvement tourbillonnaire de base dans le cylindre moteur suivant un axe de rotation principal sensiblement perpendiculaire à celui du cylindre moteur, caractérisé en ce que le fluide additionnel est injecté, au travers d'au moins une section de sortie disposée en amont de la portion terminale courbe, avec une vitesse d'injection prédéterminée, de manière à modifier l'intensité du mouvement tourbillonnaire de base par une perturbation de la couche limite du fluide d'admission. En effet, le principe est ici non pas de chercher à imprimer un moment cinétique supplémentaire au fluide d'admission entrant dans le cylindre moteur par un effet d'entrainement comme dans l'art antérieur, ce qui nécessite un débit d'air additionnel élevé, mais de générer une faible perturbation qui par son amplification naturelle aura un impact sur l'ensemble de l'écoulement du fluide d'admission. Le contrôle du mouvement tourbillonnaire selon l'invention se fait donc ici avec un effort moindre.

Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le fluide d'admission s'écoulant dans la tubulure d'admission avec une vitesse débitante déterminée, on diminue l'intensité du mouvement tourbillonnaire de base pour un ratio entre la vitesse d'injection et la vitesse débitante du fluide d'admission inférieur à un seuil critique. En effet il est apparu que la relation entre la vitesse débitante du fluide d'admission et la vitesse d'injection est déterminant dans le contrôle du mouvement tourbillonnaire.

- d'autre part, on augmente l'intensité du mouvement tourbillonnaire de base pour un ratio entre la vitesse d'injection et la vitesse débitante du fluide d'admission supérieur au seuil critique.

- la vitesse d'injection est adaptée au cours d'un cycle de fonctionnement du moteur. En effet, notamment au cours de la phase d'admission, la vitesse débitante du fluide d'admission entrant dans le cylindre moteur est variable. En adaptant la vitesse d'injection, ceci permet de ne pas perturber l'écoulement quand cela n'est pas nécessaire ou de contrôler l'intensité de la perturbation en ajustant la vitesse d'injection à l'état de l'écoulement. Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne comportant au moins une tubulure d'admission avec une portion terminale courbe débouchant dans un cylindre moteur, la portion terminale courbe étant conformée pour imprimer au fluide d'admission un mouvement tourbillonnaire de base dans le cylindre moteur suivant un axe de rotation principal sensiblement perpendiculaire à celui du cylindre moteur, un moyen d'injection d'un fluide additionnel, des moyens de commandes et de calcul du moyen d'injection en fonction de points de fonctionnement moteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une section de sortie disposée en amont de la portion terminale courbe par laquelle est injecté le fluide additionnel.

De plus, le moteur met en œuvre le procédé de l'invention.

De préférence, les paramètres de fonctionnement moteur sont choisis parmi au moins un des paramètres suivants : le régime moteur, la charge moteur, ces deux paramètres sont en effet de premier ordre dans le contrôle du mouvement tourbillonnaire.

- les sections de sorties peuvent notamment être circulaires avec un diamètre compris entre 0,5 et 1 mm, afin de d'obtenir des micro-jets permettant de générer des vitesses d'injection élevées pour des débits d'air faibles et de cibler la perturbation de l'écoulement du fluide d'admission au point d'injection au niveau de la couche limite.

- les sections de sortie sont réparties selon un plan perpendiculaire à l'écoulement du fluide d'admission et séparées d'une distance comprise entre 1 et 5 fois le diamètre des dites sections de sorties. Cette disposition permet de pouvoir générer une ou plusieurs perturbations à la périphérie de la tubulure, dans la couche limite.

- les sections de sortie peuvent être rectangulaires avec une largeur comprise entre 0,4 et 2 mm et une longueur comprise entre 1 et 10 fois la largeur des dites sections de sortie. Cette disposition permet de créer sur une portion de la périphérie de la tubulure une perturbation continue.

Brève description des dessins

D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne doté d'un dispositif de contrôle d'écoulement par jets d'air.

- La figure 2 est une représentation schématique des lignes de courant du fluide d'admission dans la tubulure d'admission sans injection d'air additionnel.

- la figure 3 est une représentation schématique des lignes de courant du fluide d'admission dans la tubulure d'admission avec une injection d'air additionnel dans la couche limite ayant pour effet de faire recoller les lignes de courant.

- La figure 4 est une représentation schématique des lignes de courant du fluide d'admission dans la tubulure d'admission avec une injection d'air additionnel dans la couche limite ayant pour effet de faire décoller massivement les lignes de courant.

- La figure 5 est une représentation schématique de distribution de sections de sortie dans la tubulure d'admission.

- La figure 6 est un détail des paramètres géométriques pour des sections de sorties circulaires.

- La figure 7 est un détail des paramètres géométriques pour des sections de sorties rectangulaires.

- La figure 8 est un détail des paramètres géométriques pour des sections de sorties rectangulaires en incidence avec la direction principale de l'écoulement.

- La figure 9 est une représentation schématique d'une injection d'air additionnel avec un angle de soufflage dans un plan passant par un diamètre de la tubulure.

- La figure 10 est une représentation schématique d'une injection d'air additionnel avec un angle de soufflage dans un plan perpendiculaire à l'écoulement du fluide d'admission.

Description détaillée

Sur la figure 1 est présenté un moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre 1 d'axe longitudinal XX, fermé en partie supérieure par une culasse 2. A l'intérieur de ce cylindre est logé un piston 3 qui permet de délimiter une chambre de combustion 4 formée par la paroi latérale du cylindre 1 , la partie de la culasse 2 en regard du piston 3 ainsi que la partie supérieure dudit piston 3 et à l'intérieur de laquelle est admis un fluide pour réaliser la combustion d'un mélange carburé. Le moteur comprend également des moyens d'admission 5, généralement porté par la culasse 2, qui comprennent au moins une tubulure d'admission 6 débouchant par un orifice 7 dans la chambre de combustion 4. Au niveau de l'orifice 7 est placé en outre inséré dans la culasse 2, un siège de soupape 8 dont l'alésage central correspond à l'orifice 7 et qui est utilisé avec une soupape d'admission dont seul l'axe général 9 est représenté sur la figure 1 pour des raisons de clarté. La tubulure d'admission 6 présente une portion terminale A de tubulure courbe dont la concavité est opposée au cylindre. La tubulure 6 d'admission comprend ainsi un intrados 10 proche du cylindre et un extrados 1 1 opposé à l'intrados. De plus, le moteur comprend des moyens d'échappement, dont seul le trait d'axe général 12 est représenté sur la figure 1 pour des raisons de clarté, qui permettent d'évacuer les gaz brûlés contenus dans la chambre de combustion 4.

La conformation courbe la portion terminale A de la tubulure d'admission permet d'introduire le fluide d'admission dans la chambre de combustion 4 d'une manière telle que ce fluide y ait un mouvement circulaire de base T autour d'un axe de rotation YY qui est sensiblement perpendiculaire à celui XX du cylindre du moteur. Ce mouvement tourbillonnaire est mieux connu par le terme de « tumble ». Le fluide admis dans la chambre de combustion 4 peut aussi bien être un air suralimenté ou non suralimenté introduit par la tubulure 6 pour y être ensuite mélangé avec un carburant qu'un mélange carburé à base carburant mélangé avec de l'air suralimenté ou non, éventuellement additionnés de gaz brûlés recirculés. De préférence, la tubulure 6 d'admission comprend au moins une section de sortie 13, en amont de la portion terminale A courbe, par laquelle est injecté un fluide additionnel. Avantageusement, le fluide additionnel est, pour des raisons de simplicité, de l'air.

Les sections de sortie 13 sont reliées à au moins moyen d'injection 14 d'un fluide additionnel de préférence du type micro-actionneur fluidique apte à générer un flux d'air.

Un tel micro-actionneur 14 est avantageusement un dispositif appartenant à la famille connue des microsystèmes ou MEMS (pour l'acronyme anglais de Micro Electro

Mechanical Systems). D'encombrement réduit, de tels micro-actionneurs peuvent avantageusement être disposés au niveau de la sortie de la tubulure 6 d'admission. En effet, les solutions mécaniques classiques ne permettent pas notamment de respecter les contraintes d'encombrement, de faibles consommations d'énergie et de faible coût de production.

Les jets air peuvent être générés collectivement, un micro-actionneur 14 alimentant toutes les sections de sortie 13. Les jets air peuvent aussi être générés de manière plus individuel, un micro-actionneur 14 alimentant chaque section de sortie 13 ou une partie des sections de sortie 13. II est prévu que le fonctionnement du micro-actionneur 14 soit piloté par un moyen de commande et de calcul 15. Le moyen de commande et de calcul peut être une Unité de Contrôle Electronique encore nommée UCE.

La figure 2 est une visualisation des lignes de courant 17 du fluide d'admission s'écoulant dans la tubulure d'admission, sans flux additionnel d'air, donc sans contrôle d'écoulement. Le fluide d'admission s'écoule suivant le sens de la flèche F. Dans la portion rectiligne 18, les lignes de courant sont sensiblement parallèles, y compris à proximité de la paroi de la tubulure. Au passage du fluide dans la portion terminale A de la tubulure, du coté intrados 10, les lignes de courant aux abords de la paroi de la tubulure décollent pour former une zone tourbillonnaire 19. Dans ce cas, le mouvement tourbillonnaire T de base est imposé par la conformation géométrique de la tubulure 6 d'admission. La figure 3 présente une visualisation des lignes de courant 17 du fluide d'admission s'écoulant dans la tubulure d'admission avec une vitesse débitante U ₀ , avec un flux additionnel d'air injecté, coté intrados 10, avec une vitesse débitante U _ιnj dans la portion rectiligne 18, au niveau du point d'injection 20, en amont de la portion terminale A courbe de la tubulure 6.

Conformément à l'invention, l'injection de jets d'air a pour but d'obtenir une interaction avec la couche limite L de l'écoulement pour en modifier les propriétés. En effet, il est apparu qu'une faible perturbation de la couche limite L suffisait pour modifier significativement l'écoulement en aval de ladite perturbation. On entend par couche limite, la couche de fluide ralenti au voisinage de la paroi de la tubulure 6. Cette couche limite L à une épaisseur variable selon que l'écoulement est laminaire ou turbulent et a un ordre de grandeur du millimètre.

Le principe de fonctionnement n'est donc pas ici de chercher à imprimer au niveau du point d'injection 20 une impulsion supplémentaire à l'ensemble du fluide d'admission entrant dans la chambre de combustion 4, ce qui nécessite un débit d'air additionnel important et donc un actionneur 14 volumineux et encombrant. Le principe de fonctionnement est ici de venir imprimer au niveau de la couche limite L une petite perturbation initiale qui, en se développant naturellement, va finalement impacter l'ensemble de l'écoulement du fluide d'admission. En effet, en débouchant dans la couche limite L, le jet d'air additionnel est à l'origine de tourbillons longitudinaux contra-rotatifs qui se développent dans la tubulure 6, en aval du point d'injection 20. On entend par vitesse débitante, la vitesse de l'écoulement obtenue par le rapport entre le débit volumique et la section de passage de l'écoulement. Dans le cas illustré en figure 3, le ratio entre la vitesse d'injection U _ιnj et la vitesse de l'écoulement U ₀ est inférieur à un seuil critique S ₀ . L'effet du flux d'air additionnel est ici de permettre de faire recoller les lignes de courant. On constate en effet la disparition de la zone tourbillonnaire 19 visible en figure 2 et un maintien sensiblement parallèles des lignes de courant dans la portion terminale A de la tubulure courbe. Ainsi, une partie des lignes de courant 17 étant rabattues vers l'intrados 10 de la tubulure 6 d'admission, on diminue l'intensité du mouvement tourbillonnaire T (figure 1 ) de base.

La figure 4 présente une visualisation des lignes de courant 17 du fluide d'admission s'écoulant dans la tubulure d'admission avec une vitesse débitante U ₀ , avec un flux additionnel d'air injecté, coté intrados 10, avec une vitesse débitante U _ιnj dans la portion rectiligne 18, au niveau du point d'injection 20, en amont de la portion terminale A courbe de la tubulure 6. Dans ce cas, le ratio entre la vitesse d'injection U _ιnj et la vitesse de l'écoulement U ₀ est supérieur au seuil critique S _c . Dans ce cas, l'effet du flux additionnel est ici d'accentuer le décollage des lignes de courant par rapport au cas sans addition de flux additionnel illustré en figure 2. Immédiatement en amont du point d'injection se forme un tourbillon 21 qui fait office d'obstacle aux lignes de courant. Le fluide d'admission est ainsi dévié massivement dans la direction de l'extrados 1 1 de la tubulure. On note toutefois, que malgré la présence de ce tourbillon 21 , l'écoulement dans la partie terminale A courbe de la tubulure ne présente pas de zone tourbillonnaire 19 comme illustré en figure 2. Ainsi, une partie des lignes de courant 17 étant dévié vers l'extrados 1 1 de la tubulure 6 d'admission, on augmente l'intensité du mouvement tourbillonnaire T (figure 1 ) de « tumble » de base déterminé imposé par la conformation géométrique de la tubulure 6 d'admission.

Avantageusement, le seuil critique Sc est compris entre 3 et 8. En effet, des essais ont montré que pour un ratio entre la vitesse d'injection U _ιnj et la vitesse de l'écoulement U ₀ de l'ordre de 3 on assure un recollement tandis que pour un ratio entre la vitesse d'injection U _ιnj et la vitesse de l'écoulement U ₀ de l'ordre de 8 on assure un franc décollement. Avantageusement, l'UCE 15 comporte une cartographie 16 contenant, en fonction de paramètres de fonctionnement moteur, les différentes valeurs de vitesse d'injection U _ιnj de flux d'air additionnel à injecter. De préférence, les paramètres de fonctionnement moteur sont choisis parmi au moins un des paramètres suivants : le régime moteur N, la charge moteur C.

Une telle cartographie 16 peut être réalisée préalablement sur banc moteur ou par simulation numérique puis mémorisée dans l'UCE 15.

La figure 5 illustre un exemple de distribution de sections de sortie 13 dans la tubulure 6 d'admission, sur une rangée du coté de l'intrados 10 de ladite tubulure, perpendiculairement à l'écoulement du fluide d'admission. On peut cependant prévoir de disposer les sections de sortie 13 sur tout le périmètre de la tubulure 6 et ainsi avoir la possibilité, en fonction des besoins, de générer des jets d'air aux endroits adéquats le long du périmètre de la tubulure 6. On peut aussi prévoir d'intensifier la perturbation de la couche limite en disposant les sections de sorties 13 sur plusieurs rangées successives sensiblement perpendiculairement à l'écoulement du fluide d'admission afin d'impacter la couche limite L sur une plus grande surface, toujours en amont de la portion terminale A courbe de la tubulure 6 d'admission.

La figure 6 présente un détail de la géométrie des sections de sortie 13. Les paramètres géométriques des sections de sorties 13 sont intrinsèques au système et doivent être défini a priori au moment de la conception du moteur. Toutefois, à titre indicatif, pour une tubulure 6 d'admission de moteur à combustion pour automobile ayant un diamètre d'ordre de grandeur de 2 cm en amont de la soupape d'admission, avantageusement, les sections de sortie 13 sont circulaires et ont un diamètre D compris entre quelques centaines de microns et quelques millimètres et de préférence entre 0,5 mm et 1 mm. Avantageusement encore, les sections de sortie 13 réparties selon un plan YOZ (schématisé en figure 10) perpendiculaire à l'écoulement du fluide d'admission et sont séparées d'une distance D _e , déterminée ici par la distance entre les centres de deux sections de sortie 13 successives, comprise entre 1 et 5 fois le diamètre D de la section de sortie.

Les figures 7 et 8 présentent des variantes sur la base de sections de sorties 13 rectangulaires de longueur L ₀ et de largeur l _a . De préférence, selon cette géométrie de sections de sortie 13, les dimensions de la largeur l _a sont comprises entre 0,4 et 2 mm pour des longueurs L ₀ de sections de sortie 13 de l'ordre de 0,1 à 10 fois la largeur l _a . De plus, comme l'illustre plus particulièrement la figure 8, les sections de sortie 13 peuvent être disposées en incidence, c'est-à-dire avec un grand axe faisant un angle α par rapport à la direction principale de l'écoulement matérialisée par la flèche F. La direction des flux d'air additionnels peut être ajustée pour former, par rapport à la paroi de la tubulure 6, un angle β dans un plan XOZ passant par le diamètre de la tubulure 6 comme présenté en figure 9. L'angle β peut être compris entre O et 180°. Cependant, de préférence l'angle β forme sensiblement un angle droit par rapport à la paroi de la tubulure 6.

La direction des flux d'air additionnels peut encore être ajustée pour former, par rapport à la paroi de la tubulure 6, un angle θ dans un plan YOZ perpendiculaire à l'écoulement (figure 10). Avantageusement, la direction des flux d'air additionnels est sensiblement perpendiculaire à la paroi de la tubulure 6. L'angle θ peut être compris entre O et 180°. Cependant, de préférence l'angle θ forme sensiblement un angle droit par rapport à la tangente à la paroi de la tubulure 6. La position des sections de sortie 13 est un paramètre à prendre en compte pour déterminer l'efficacité du système et son intégration. En effet, en fonction du moteur et des contraintes géométriques, on intégrera les sections de sortie à une position X _j en amont de la partie courbe de la tubulure 6 (figure 2) qui présentera le meilleur compromis. Avantageusement, les flux d'air additionnels peuvent être continus ou puisés. Avantageusement encore, la vitesse d'injection U _ιnj est adaptée au cours d'un cycle moteur et notamment pendant la phase d'admission. En effet, en adaptant la vitesse d'injection U _ιnj à la vitesse U ₀ du fluide d'admission dans la tubulure 6, on contrôle en permanence l'intensité de la perturbation au niveau du point d'injection 20 et par voie de conséquence on module l'intensité du mouvement tourbillonnaire T.

L'invention a pour avantage de permettre un contrôle actif efficace de l'écoulement dans la tubulure 6 d'amission et de l'intensité du mouvement tourbillonnaire T en agissant à distance de l'orifice 7 d'entrée du fluide d'admission, plus judicieusement en amont de la portion terminale A courbe de la tubulure 6, pour un effet optimum sur le mouvement tourbillonnaire T à partir d'une faible perturbation initiale, ce qui autorise de plus l'installation du ou des micro-actionneurs fluidique 14 dans une zone plus facile à instrumenter.