Domaine technique de l'invention

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

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 JP59120718 un dispositif de contrôle de mouvement tourbillonnaire de type « swirl » pour un moteur à combustion interne. Le dispositif comprend un élément bimétallique ou bilame disposé sensiblement affleurant le long de la partie terminale d'une tubulure d'admission, à proximité d'un orifice d'admission débouchant dans la chambre de combustion du moteur. Le contrôle du mouvement tourbillonnaire est assuré par la déformation de l'élément bimétallique. Dans ce dispositif, la déformation est provoquée en faisant passer un courant électrique dans l'élément bimétallique afin de le faire monter en température par effet Joule et d'occasionner ainsi la dilatation des éléments métalliques. Cependant, un tel dispositif nécessite un pilotage externe et occasionne une dépense énergétique supplémentaire pour le chauffage électrique de l'élément bimétallique.

L'invention a pour but de pallier les inconvénients de l'état de la technique antérieur en proposant nouveau procédé de contrôle d'écoulement du fluide d'admission plus simple à mettre en œuvre et plus économique.

La présente invention a pour objet un procédé de contrôle d'écoulement d'un fluide d'admission pour un moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion reliée à au moins une tubulure d'admission avec une portion terminale courbe débouchant dans la chambre de combustion par un orifice d'admission, un bilame apte à se déformer en fonction de sa température pour dévier le fluide d'admission et disposé dans la portion terminale en amont de l'orifice d'admission, caractérisé en ce que la déformation du bilame est causée par la variation de sa température sous l'effet d'un apport de chaleur apportée par des gaz brûlés provenant de la chambre de combustion et remontant dans la tubulure d'admission. Il est en effet apparu que les gaz brûlés remontant dans la tubulure d'échappement, à l'occasion plus particulièrement de la phase de croisement de soupapes élevaient la température dans la tubulure d'admission et que cette élévation de température pouvait être directement mise à profit pour commander la déformation d'un bilame dans le but d'influencer l'intensité du mouvement tourbillonnaire de base imprimé par la conformation géométrique de la tubulure d'admission.

De façon préférentielle, pour des points de fonctionnement moteur fortement chargés, le bilame est déformé de manière à être sensiblement affleurant à la tubulure d'admission pour favoriser le remplissage de la chambre de combustion. En effet, il est nécessaire pour les points fortement chargés de maximiser le remplissage pour atteindre la performance cible du moteur.

De façon préférentielle, pour des points de fonctionnement moteur faiblement chargés, le bilame est déformé de manière à masquer une partie de la section de passage de la tubulure et causer une déviation du fluide d'admission dans ladite tubulure. En effet, il est nécessaire pour les points faiblement chargés d'augmenter l'aérodynamique pour accélérer la combustion réduire la consommation et les émissions de polluants. Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne comportant au moins une tubulure d'admission d'un fluide d'admission avec une portion terminale courbe débouchant dans une chambre de combustion par un orifice d'admission, le moteur comprenant de plus un bilame apte à se déformer en fonction de sa température pour dévier le fluide d'admission et disposé dans la portion terminale courbe et relié du coté du bilame placé en amont de l'écoulement du fluide d'admission par un moyen de fixation, caractérisé en ce qu'il comprend un isolant thermique disposé entre le bilame et la tubulure d'admission. De cette manière, en limitant les échanges thermiques avec la matière de la tubulure, la température du bilame est essentiellement la résultante de la chaleur apportée par les gaz circulant dans la tubulure d'admission.

Par ailleurs, le moteur selon l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : De façon préférentielle, le moteur met en œuvre le procédé de l'invention.

De façon préférentielle, l'isolant thermique est maintenu entre le bilame et la tubulure par le moyen de fixation. De façon avantageuse, le moyen de fixation est dans un matériau isolant thermiquement. De cette manière, on évite un pont thermique entre la tubulure et le bilame.

De façon avantageuse, le moyen de fixation est une vis, pour des raisons de d'économie et de simplicité technique.

De façon avantageuse, le bilame comprend un déflecteur additionnel disposé du coté du bilame placé en aval de l'écoulement du fluide d'admission. En effet, on augmente ainsi la surface de déflexion du fluide d'admission et l'efficacité du dispositif.

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 bilame. - La figure 2 est un tableau présentant la température moyenne dans la tubulure d'admission mesurée en fonction de conditions de régime et de charge moteur déterminées.

- La figure 3 est un tableau présentant la température moyenne dans la tubulure d'admission mesurée en fonction de conditions de régime, de charge moteur et de taux d'EGR.

- La figure 4 représente, en coupe transversale, un détail d'implantation du bilame dans la tubulure d'admission, le bilame étant rectiligne pour une température moyenne dans la tubulure d'admission faible.

- La figure 5 représente, en coupe transversale, un détail d'implantation du bilame dans la tubulure d'admission, le bilame étant recourbé pour une température moyenne dans la tubulure d'admission élevée.

- La figure 6 est un tableau indiquant un ordre de grandeur de la déflexion d'un bilame de 100 mm en fonction de la température dudit bilame, pour deux types de bilame.

- La figure 7 est une représentation schématique d'une variante de bilame auquel est joint à son extrémité libre un déflecteur additionnel.

- La figure 8 présente un premier agencement d'une pluralité de bilames rectangulaires

- La figure 9 présente un second agencement d'une pluralité de bilames sensiblement triangulaires.

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 courbe. Cette portion comprend ainsi un intrados 10 proche du cylindre et un extrados 1 1 opposé à l'intrados. De plus, le moteur est doté de moyens d'échappement comprenant au moins une soupape 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 6 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 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.

Conformément à l'invention, la tubulure d'admission 6 porte à proximité de son orifice 7, un bilame 13. On entend par bilame un élément constitué de deux plaques liées solidairement par une face. Ces deux plaques sont constituées de matériaux présentant des dilatations thermiques différentes. Ainsi, quand la température du bilame 13 augmente, celui-ci se courbe du coté du matériau présentant la dilatation la plus faible. Le bilame 13 est proche de l'orifice 7 afin d'avoir un effet notable sur la déviation de l'écoulement. Dans le cas d'un moteur à combustion interne à essence et à combustion homogène, ce type de moteur contrôle sa charge d'air admis grâce à un papillon disposé dans la ligne d'admission, non représenté ici, en amont de la tubulure 6 d'admission. Ce papillon crée une perte de charge qui contrôle la quantité d'air admise dans le cylindre 1 à chaque cycle moteur.

Sur des points de fonctionnement du moteur à faible charge, le papillon est fermé pour faire baisser la pression dans la ligne d'admission et limiter la quantité d'air dans le moteur. Sur les points de faible charge, la pression dans la ligne d'admission est inférieure à la pression atmosphérique et, a fortiori, inférieure à la pression qui règne dans la ligne d'échappement. A titre indicatif la pression dans la ligne d'admission est alors comprise entre 0,3 et 1 bar. Sur des points de fonctionnement du moteur à forte charge, le papillon est pleinement ouvert et les pressions peuvent même dépasser la pression atmosphérique si le moteur est suralimenté ou acoustiquement adapté. Un tel moteur à combustion interne à essence est caractérisé en outre par une phase dite de croisement de soupapes, c'est-à-dire qu'il se trouve quelques instants au cours d'une phase d'échappement du cycle moteur pendant lesquels les soupapes d'admission et d'échappement sont ouvertes simultanément. Cette phase de croisement de soupapes favorise le balayage des gaz brûlés en fin d'échappement pour les points de fonctionnement les plus chargés. Cette phase de croisement induit également un flux de retour (désigné généralement par l'expression anglo-saxonne de « back flow ») des gaz brûlés dans la tubulure 6 d'admission pour les points de faible charge où la pression à l'admission est inférieure à la pression régnant dans la chambre 4 de combustion. Ces gaz brûlés chauds remontent dans la tubulure 6 d'admission tant qu'il y a croisement des soupapes, puis sont réadmis quand la soupape d'échappement se ferme.

Des calculs monodimensionnels recalés sur des essais réalisés sur un moteur à essence monocylindre ont permis de montrer que ce phénomène de retour des gaz brûles pendant la phase de croisement de soupapes induit une élévation de la température moyenne dans la tubulure d'admission 6 car il y a un va et vient de gaz brûlés avant l'admission d'air frais.

La figure 2 présente la température moyenne mesurée dans la tubulure 6 d'admission en fonction du régime N du moteur, exprimé en tour/minutes et de la charge C du moteur représentée classiquement par la PMI (Pression Moyenne Indiquée) exprimée en bar.

Il apparait que cette élévation de température est de plusieurs dizaines de degrés en moyenne sur les points de faible charge. A titre d'exemple pris de la figure 2, l'élévation de température est, de 50 ⁰ C entre un premier point de fonctionnement moteur à 5 bar de PMI et un second point à 2,8 bar de PMI, à 2000 tr/min. A plus forte charge, l'élévation de température est moindre comme le montre la figure où l'élévation de température est seulement de δ'O entre un premier point de fonctionnement moteur à 20 bar de PMI et un second point à 15 bar de PMI, à 2000 tr/min. Dans une variante non représentée où le moteur comprend de plus un dispositif de recirculation des gaz brûlés ou EGR (pour l'acronyme de l'expression anglo-saxonne Exhaust Gas Recirculation), une partie des gaz brûlés évacués à l'échappement étant prélevés pour être réinjectés à l'admission, on note que, comme le montre la figure 3, l'ajout de gaz EGR tend à réduire la température moyenne dans la tubulure d'admission. En effet, l'ajout de gaz EGR tend à limiter l'ouverture du papillon et augmente la pression d'admission. Cette augmentation de pression d'admission réduit le « backflow » des gaz brûlés lors du croisement des soupapes et réduit par là même la température moyenne dans la tubulure 6 d'admission. Ainsi, à titre d'exemple, on observe sur un point de fonctionnement à 2000 tr/min et à PMI constante de 2,8 bar une réduction de 30 ⁰ C pour un passage d'un taux de gaz EGR nul à un taux de 20%. On découvre ainsi une corrélation entre la température moyenne dans la tubulure 6 d'admission et la charge du moteur. En effet, à mesure que la charge augmente, la pression d'admission augmente, le flux de retour de gaz brûlés chauds diminue, et par conséquent, la température moyenne dans la tubulure 6 d'admission diminue. De plus, il existe une corrélation entre la charge du moteur et les besoins en aérodynamique : sur les points à faibles charge, il est besoin d'augmenter l'aérodynamique pour accélérer la combustion, tandis que sur les points de forte charge, il est nécessaire de maximiser le remplissage pour atteindre la performance du moteur. II est alors apparu que cette corrélation entre la température moyenne dans la tubulure 6 d'admission, la charge du moteur et les besoins aérodynamiques associés est une opportunité pour proposer un moyen judicieux, simple et efficace apte à adapter automatiquement l'aérodynamique de l'écoulement du fluide d'admission dans le cylindre 1 au point de fonctionnement moteur.

Les figures 4 et 5 présentent schématiquement un détail de l'implantation du bilame 13 dans la tubulure 6 d'admission du coté de l'intrados 10 de ladite tubulure. Le bilame 13 est formé d'une première plaque 14 liée solidairement à une seconde plaque 15. Les deux plaques 14, 15 sont constituées de matériaux présentant des dilatations thermiques différentes, le matériau de la première plaque 14 ayant une dilatation thermique inférieure à celle du matériau de la seconde plaque 15. Le fluide d'admission s'écoulant dans la direction de la flèche F vers la chambre de combustion 4, le bilame 13 est fixé à la tubulure 6 d'admission par un moyen de fixation 16, tel qu'une vis comme schématisé sur la figure 4 ou la figure 5, du coté placé en amont de l'écoulement, son coté placé en aval de l'écoulement restant libre. Ainsi la déformation du bilame 13 est causée par la variation de sa température sous l'effet d'un apport de chaleur apportée par des gaz brûlés provenant de la chambre de combustion 4 et remontant dans la tubulure 6 d'admission. Avantageusement, pour les points de fonctionnement faiblement chargés, c'est-à-dire quand la température moyenne dans la tubulure d'admission est élevée (figure 5), le bilame 13 est déformé de manière à masquer une partie de la section de passage de la tubulure et causer une déviation du fluide d'admission dans ladite tubulure. Plus précisément, le bilame 13 est implanté de façon à orienter le fluide d'admission en direction de l'extrados 1 1 de la tubulure 6,

Pour les points de fonctionnement moteur fortement chargés (figure 4), c'est-à-dire quand la température moyenne dans la tubulure d'admission est plus basse, et afin de ne pas gêner l'écoulement en créant une perte de charge, le bilame 13 doit de préférence respecter au mieux la forme de la tubulure 6 d'admission et est déformé de manière à être sensiblement affleurant à ladite tubulure. On favorise ainsi le remplissage de chambre de combustion 4. A cet effet, il est prévu que le bilame 13 soit disposé dans un logement 23 prévu dans la tubulure 6 d'admission (figure 4). Par ailleurs, la tubulure 6 d'admission fait généralement partie de la culasse 2 qui est elle- même refroidie par une circulation de liquide de refroidissement. Or, le bilame 13 se doit d'être essentiellement sensible à la température moyenne du fluide d'admission dans la tubulure 6 d'admission. Afin d'isoler thermiquement le bilame 13 d'un refroidissement par conduction provenant de la paroi de la tubulure 6 d'admission, de préférence, il est prévu un isolant 17 thermique disposée entre la tubulure 6 d'admission et le bilame 13.

L'isolant thermique peut être un élément mince tel qu'une rondelle plate en plastique.

Pour des raisons de simplicité de montage, l'isolant thermique 17 est de préférence maintenu entre le bilame 13 et la tubulure 6 par le moyen de fixation 16. Dans le mode de réalisation illustré en figure 4 et 5, l'isolant 17 thermique est traversé par le moyen 16 de fixation.

Préférentiellement le moyen de fixation est une vis de fixation. D'autres moyens de fixation peuvent aussi être envisagé tel qu'un rivet, une colle, un point de soudure...). Avantageusement, le moyen de fixation 16 est dans un matériau isolant thermiquement tel qu'un plastique, polymère ou un composite résistant à des températures de l'ordre de 200 à 300 ⁰ C. On limite encore plus les échanges thermiques entre le bilame 13 et la tubulure 6 d'admission.

En ce qui concerne le montage et la fixation du bilame 13 sur la tubulure 6 d'admission, on peut prévoir de faire un perçage dans la tubulure 6 d'admission ou de laisser un trou de fonderie pour permettre le passage et le positionnement du bilame 13 et de son isolant thermique 17, ainsi que la solidarisation à la tubulure par le moyen de fixation 16, puis de refermer ce trou de construction après montage du bilame 13.

Les principaux avantages de l'invention est que le bilame est un organe mécanique fiable et robuste qui fait office à la fois de contrôleur, d'actionneur et d'élément fonctionnel. II existe pour la constitution d'un bilame une grande diversité de matériaux tels que des métaux ou des alliages avec un large choix dans les caractéristiques de dilatations thermiques.

A titre d'exemple non exhaustif de réalisation, le matériau de la première plaque 14 peut être un alliage de fer à 36 % de nickel ou un alliage de fer à 42 % de nickel de composition chimique type FeNi ₃₆ ou FeNi ₄₂ , connus pour présenter un bas coefficient de dilatation. Le matériau de la seconde plaque 15 peut être un alliage de composition chimique MnCui ₈ Nii ₀ ou FeNi ₂₀ Mn ₆ présentant un coefficient de dilatation thermique supérieur au matériau de la première plaque 14.

Sur la figure 6 est présenté une première courbe 18 indiquant la déflexion D d'un bilame constitué d'un couple FeNi ₃₆ / MnCUi ₈ Ni ₁₀ en fonction de la température du bilame. Une deuxième courbe 19 indique la déflexion A d'un bilame constitué d'un couple FeNi ₃₆ / Fe Ni ₂₀ Mn ₆ . La déflexion D est donnée ici pour une longueur arbitraire de bilame de 10 cm, longueur irréaliste dans le cas d'une implantation dans une tubulure d'admission, mais qui permet tout de même de montrer à travers ces deux exemples que les bilames présentent un domaine de linéarité dans une plage de température s'étendant jusque 300 'O ce qui est compatible, comme le montre les figures 3 et 4 avec la gamme de température vue dans une tubulure d'admission.

Dans une variante non représentée, la déflexion du bilame 13 peut être limitée en ne recouvrant que partiellement la seconde plaque 15 par la première plaque 14. Dans ce mode de réalisation la partie du coté libre du bilame 13 ne comporte pas de plaque 14. La partie de la seconde plaque non recouverte par la première plaque 14 ne va pas se déformer sous l'effet de la température et reste alors rectiligne. Dans un autre mode de réalisation illustré par la figure 7, un déflecteur additionnel 20 est avantageusement disposé du coté du bilame 13 placé en aval de l'écoulement du fluide d'admission, c'est-à-dire à l'extrémité libre du bilame 13, afin d'améliorer l'efficacité de déviation du fluide d'admission par une augmentation de la surface de déviation. Le déflecteur additionnel 20 est prévu courbe de manière à épouser au mieux la forme de la tubulure 6 d'admission quand le bilame 13 est rectiligne.

Dans un autre mode de réalisation, illustré par la figure 8, la déviation du fluide d'admission est réalisée par la coopération d'une pluralité de bilames. La figure 8 présente un premier agencement de bilames rectangulaires 21. En position à forte charge, indiqué par la référence PC, en raison de la température faible dans la tubulure d'admission, les bilames 21 sont sensiblement rectilignes et ne gênent pas le passage du fluide d'admission afin de permettre un remplissage optimisé du cylindre 1. En position à faible charge, indiqué par la référence FC, en raison de l'élévation de la température dans la tubulure d'admission, les bilames 21 se courbent et se chevauchent pour bloquer une partie de la section de passage de la tubulure d'admission et ainsi dévier le fluide d'admission dans la direction de l'extrados 1 1 de manière à contribuer à intensifier le mouvement tourbillonnaire de « tumble » dans le cylindre 1. Cet agencement avec chevauchement a pour avantage d'assurer la déviation de l'ensemble du fluide d'admission vers la partie non occultée de la tubulure d'admission 6.

La figure 9 présente un second agencement de bilames sensiblement triangulaires 22. Ce second agencement diffère du précédent en ce qu'en position à faible charge FC, en raison de la température élevée dans la tubulure d'admission, les bilames 21 sont courbes pour permettre de bloquer une partie de la section de passage de la tubulure d'admission mais ne se chevauchent pas. Cet agencement sans chevauchement à pour avantage supplémentaire par rapport à l'agencement précédent d'éviter de prévoir à la conception un ordre de repliement de chacun des bilames.

Dans une variante non représentée, le moteur étant conçu avec deux tubulures d'admission conformées pour générer un mouvement tourbillonnaire de base de type

« swirl », les bilames sont disposés dans une seule des deux tubulures, de manière à occulter en totalité ou partiellement le passage du fluide d'admission dans ladite tubulure lors du backflow des gaz brûlés vers l'admission, de façon à forcer le passage du fluide d'admission préférentiellement vers la tubulure non occultée et favoriser l'apparition d'un mouvement de « swirl » pour les points de fonctionnement moteur faiblement chargés. L'invention ne se limite pas non plus au moteur essence à combustion homogène, en effet, elle peut s'appliquer aux moteurs stratifiés essence et Diesel (ou au moteur homogène Diesel et autres moteurs GNV, etc.)

En utilisant cette invention, le compromis habituel sur le choix de la géométrie de la tubulure d'admission entre une géométrie privilégiant l'aérodynamique à faible charge et une géométrie privilégiant le remplissage à forte charge n'a plus lieu d'être. En effet la tubulure 6 d'admission peut être prévue à la conception avec une géométrie privilégiant le remplissage à forte charge et l'invention permettra d'assurer le niveau de mouvement tourbillonnaire requis à faible charge.