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FR3087225A1 - Systeme d'admission d'air equipe d'un moyen de limitation du debit d'air - Google Patents

Systeme d'admission d'air equipe d'un moyen de limitation du debit d'air Download PDF

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FR3087225A1
FR3087225A1 FR1859544A FR1859544A FR3087225A1 FR 3087225 A1 FR3087225 A1 FR 3087225A1 FR 1859544 A FR1859544 A FR 1859544A FR 1859544 A FR1859544 A FR 1859544A FR 3087225 A1 FR3087225 A1 FR 3087225A1
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Renault SAS
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Abstract

Système d'admission d'air (6) comprenant au moins une conduite d'admission d'air (17), l'au moins une conduite d'admission d'air (17) étant destinée à être reliée à une chambre de combustion (5) d'un moteur à combustion (2) à allumage commandé et étant destinée à être obturée par une soupape d'admission (22), caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de limitation (18) d'un débit d'air traversant l'au moins une conduite d'admission d'air (17), et en ce que l'au moins une conduite d'admission d'air (17) comprend un volume utile (VU) délimité en amont par le moyen de limitation (18) et en aval par une soupape d'admission (22) dans une position de fermeture, le volume utile (VU) étant strictement inférieur à un volume d'une chambre de combustion (VC) à laquelle la conduite d'admission d'air (6) est destinée à être reliée, ledit volume d'une chambre de combustion (VC) étant défini au point mort bas.

Description

Système d’admission d’air équipé d’un moyen de limitation du débit d’air
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un système d’admission d’air pour un moteur à combustion à allumage commandé. L’invention concerne également un groupe motopropulseur comprenant un tel système d’admission d’air. L’invention concerne également un véhicule comprenant un tel système d’admission d’air ou un tel groupe motopropulseur.
État de la technique
Dans un moteur à combustion à allumage commandé, le phénomène de cliquetis est causé par la combustion non contrôlée d’un mélange carburé dans la chambre de combustion. Il génère du bruit, des vibrations et des ondes de choc dans la chambre de combustion pouvant endommager le moteur. La sensibilité d’un moteur au cliquetis dépend de la qualité de la chambre de combustion et des caractéristiques du mélange carburé introduit, notamment sa température et sa pression. Plus le mélange carburé est chaud, plus la pression du mélange carburée est élevée, plus le risque de cliquetis est important. Le risque est donc augmenté lorsque le taux de compression du moteur est élevé et avec l’emploi d’un turbocompresseur.
Afin d’empêcher le cliquetis, on connaît des solutions visant à limiter la température dans la chambre de combustion. Une première solution peut consister en l’utilisation d’un refroidisseur d’air de suralimentation. Une deuxième solution, utilisée notamment en compétition automobile, est basée sur des phénomènes acoustiques dans la ligne d’admission d’air pour générer une détente des gaz lors de la phase d’admission. On connaît également un procédé de fonctionnement d’un moteur à combustion comprenant une fermeture anticipée des soupapes d’admission lors du cycle de combustion. Cette solution, couramment répandue, permet d’augmenter les performances spécifiques des moteurs en limitant le cliquetis à forte charge. Toutefois, de faibles températures ne sont obtenues qu’au prix d’une importante anticipation de la fermeture des soupapes d’admission ce qui engendre une dégradation de la structure du champ aérodynamique dans la chambre de combustion et donc une dégradation de la préparation du mélange. L’anticipation maximale de fermeture des soupapes acceptable par un moteur se trouve alors limitée à la fois par les capacités de suralimentation, et à la fois par la capacité de la chambre de combustion à fonctionner avec un champ aérodynamique faible. Toutes ces solutions requièrent une augmentation de la pression de suralimentation, c’est-à-dire une augmentation de la puissance du turbocompresseur.
Objet de l'invention
Le but de l’invention est de fournir un système d’admission d’air et un groupe motopropulseur remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les systèmes d’admission d’air et les groupes motopropulseurs connus de l’art antérieur. En particulier, l’invention permet de réaliser un système d’admission d’air et un groupe motopropulseur permettant de limiter le phénomène de cliquetis, dont le rendement est amélioré, qui soit simple à assembler, et qui présente un encombrement réduit.
L’invention se rapporte à un système d’admission d’air comprenant au moins une conduite d’admission d’air, l’au moins une conduite d’admission d’air étant destinée à être reliée à une chambre de combustion d’un moteur à combustion à allumage commandé et étant destinée à être obturée par une soupape d’admission, le système d’admission d’air comprenant un moyen de limitation d’un débit d’air traversant l’au moins une conduite d’admission d’air, et l’au moins une conduite d’admission d’air comprenant un volume utile délimité en amont par le moyen de limitation et en aval par une soupape d’admission dans une position de fermeture, le volume utile étant strictement inférieur à un volume d’une chambre de combustion à laquelle la conduite d’admission d’air est destinée à être reliée, ledit volume d’une chambre de combustion étant défini au point mort bas.
Le moyen de limitation peut comprendre :
une vanne, et/ou une vanne-papillon, et/ou une vanne guillotine, et/ou une vanne à boisseau, et/ou un tube de venturi, et/ou un tube comprenant une restriction de section, et/ou un assemblage de deux tubes, notamment coaxiaux, un tube intérieur comprenant des orifices limitant un débit d’air entre un tube extérieur et le tube intérieur.
Le moyen de limitation peut comprendre une section d’admission géométriquement variable.
Le volume utile peut être variable, notamment la position du moyen de limitation par rapport à la soupape d’admission peut être variable.
Le volume utile peut être inférieur ou égal à un tiers, voire inférieur ou égal à un quart du volume d’une chambre de combustion.
La conduite d’admission d’air peut comprendre un collecteur d’admission et une pluralité de dérivations reliés au collecteur d’admission, chaque dérivation étant destinée à être reliée à une chambre de combustion d’un moteur à combustion à allumage commandé, et chaque dérivation étant destinée à être obturée par une soupape d’admission, chaque dérivation comprenant un moyen de limitation d’un débit d’air traversant ladite dérivation.
Le système d’admission d’air peut comprendre un volet papillon des gaz en amont dudit moyen de limitation.
L’invention se rapporte également à un groupe moteur, notamment un groupe motopropulseur comprenant un moteur à combustion à allumage commandé et un système d’admission d’air tel que défini précédemment.
Le groupe moteur, notamment le groupe motopropulseur peut comprendre un moteur à combustion à allumage commandé et un système d’admission d’air tel que défini précédemment, chaque moyen de limitation comprenant une section d’admission géométriquement variable, et le groupe motopropulseur ne comprenant pas de volet papillon des gaz.
Le groupe moteur, notamment le groupe motopropulseur peut ne pas comprendre de dispositif de refroidissement d’un air d’admission, notamment il peut ne pas comprendre d’échangeur thermique apte à refroidir un air d’admission.
Le groupe moteur, notamment le groupe motopropulseur tel que défini précédemment peut comprendre un turbocompresseur.
L’invention se rapporte également à un véhicule automobile comprenant un système d’admission d’air tel que défini précédemment et/ou un groupe moteur, notamment un groupe motopropulseur tel que défini précédemment.
L’invention se rapporte également à un groupe électrogène comprenant un système d’admission d’air tel que défini précédemment et/ou un groupe moteur tel que défini précédemment.
Description sommaire des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La figure 1 est une vue schématique d’un véhicule équipé d’un groupe motopropulseur selon l’état de la technique.
La figure 2 est une vue schématique d’un véhicule équipé d’un groupe motopropulseur selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 3 est une vue schématique d’un moteur comprenant trois cylindres et d’un système d’admission d’air équipé d’un moyen de limitation d’un débit d’air selon une première variante de réalisation de l’invention.
La figure 4 est une vue schématique d’un moteur comprenant trois cylindres et d’un système d’admission d’air équipé d’un moyen de limitation d’un débit d’air selon une deuxième variante de réalisation de l’invention.
La figure 5 est une vue schématique en coupe d’un moteur et du système d’admission d’air selon la deuxième variante de réalisation de l’invention.
La figure 6 est une vue schématique du système d’admission d’air équipé d’un premier perfectionnement.
La figure 7 est une vue schématique du système d’admission d’air équipé d’un deuxième perfectionnement.
La figure 8 est une représentation graphique de la pression d’air en amont de soupapes d’admission au cours d’un cycle de combustion.
La figure 9 est un diagramme pression-volume.
La figure 10 est une vue schématique d’un groupe motopropulseur selon une première variante de réalisation de l’invention.
La figure 11 est une vue schématique d’un groupe motopropulseur selon une deuxième variante de réalisation de l’invention.
La figure 12 est une vue schématique d’un système d’admission d’air selon un mode de réalisation de l’invention.
Les figures 13 et 14 sont des vues schématiques d’un système d’admission d’air équipé d’un premier perfectionnement selon un mode de réalisation de l’invention.
Description d’un mode de réalisation
Dans toute la description l’amont et l’aval sont défini en suivant le sens d’écoulement de l’air dans un moteur : l’air s’écoulant de l’amont vers l’aval. Le terme « air >> peut aussi bien désigner de l’air frais prélevé l’extérieur du véhicule qu’un gaz obtenu par recirculation des gaz d’échappement ou un gaz obtenu par le mélange d’air et d’un carburant ou même tout autre gaz utile à la combustion dans un moteur à combustion.
La figure 1 illustre schématiquement un groupe motopropulseur T selon l’état de la technique, c’est-à-dire un groupe motopropulseur 1 ’ qui n’est pas conforme à l’invention. Ce groupe motopropulseur 1 ’ comprend de manière classique un moteur à combustion 2’ équipé d’un carter 3’ et ici de quatre pistons 4’ aptes à coulisser dans quatre chambres de combustion 5 ‘aménagées dans le carter 3’. Le groupe motopropulseur T comprend en outre un système d’admission d’air 6’ et un turbocompresseur 7’. En observant le système d’admission d’air 6’ de l’amont vers l’aval, celui-ci comprend une prise d’air extérieure 8’, un filtre à air 9’, une première conduite d’admission 10’ agencée entre le filtre à air 9’ et un compresseur 1T du turbocompresseur, une deuxième conduite d’admission 12’ agencée entre le compresseur 11’ et un échangeur thermique 13’, et une troisième conduite d’admission 14’ agencée entre l’échangeur thermique 13’ et un volet papillon des gaz 15’. En aval du volet papillon des gaz 15’, le système d’admission d’air 6’ comprend un collecteur d’admission 16’ depuis lequel s’étendent quatre dérivations 17’ débouchant respectivement dans chacune des quatre chambres de combustion 5’. Deux soupapes d’admission (non représentées) permettent d’obturer ou non l’admission d’air dans chacune des chambres de combustion suivant un cycle de combustion à quatre temps. Le cycle de combustion comprend de manière classique une phase d’admission d’air, une phase de compression, une phase de combustion et une phase d’échappement. Chacune des dérivations 17’ comprend une section constante, pouvant être une section circulaire. Le groupe motopropulseur comprend également un système d’échappement des gaz 18’ comprenant un collecteur d’échappement 19’ prolongé par une conduite d’échappement 20’. Une turbine 21 ’ du turbocompresseur 7’ est apte à être entraînée en rotation par les gaz d’échappement.
La figure 2 illustre schématiquement un véhicule V automobile équipé d’un groupe motopropulseur 1 selon un mode de réalisation de l’invention. Le véhicule V peut être de toute nature. Notamment le véhicule V peut être un véhicule de course ou plus simplement un véhicule particulier. Le groupe motopropulseur 1, autrement dit groupe moteur, comprend un moteur à combustion 2 équipé d’un carter 3 et de quatre pistons 4 apte à coulisser dans quatre chambres de combustion 5 aménagées dans le carter 3. Le moteur à combustion 2 est un moteur à allumage commandé, c’est à dire un moteur comprenant un moyen de déclencher la combustion d’un comburant dans une chambre de combustion, comme par exemple des bougies d’allumage. Le moteur à combustion 2 peut être un moteur à essence. Le groupe motopropulseur 1 comprend en outre un système d’admission d’air 6 et un turbocompresseur 7. En observant le système d’admission d’air 6 de l’amont vers l’aval, celui-ci comprend une prise d’air extérieure 8, un filtre à air 9, une première conduite d’admission 10 agencée entre le filtre à air 9 et un compresseur 11 du turbocompresseur, une deuxième conduite d’admission 12 agencée entre le compresseur 11 et un échangeur thermique 13, et une troisième conduite d’admission 14 agencée entre l’échangeur thermique 13 et un volet papillon des gaz 15. Le filtre à air 9 sert à filtrer l’air pour que des particules indésirables ne pénètrent pas dans les chambres de combustion du moteur. En aval du volet papillon des gaz 15, le système d’admission d’air 6 comprend un collecteur d’admission 16 depuis lequel s’étendent quatre dérivations 17 débouchant respectivement dans chacune des quatre chambres de combustion 5. Les dérivations 17 forment des quatrièmes conduites d’admission. Le terme « dérivation » ou « conduite d’admission » sera indifféremment utilisé dans la suite du document. Pour un moteur comprenant trois ou six cylindres, le collecteur d’admission pourra être de type « fourche », c’est-à-dire que le collecteur d’admission comprend un unique nœud 16b depuis lequel partent les dérivations 17 comme cela apparaît sur les figures 6 et 7. Deux soupapes d’admission 22 (visibles sur la figure 5) permettent d’obturer ou non l’admission d’air dans chacune des chambres de combustion suivant un cycle thermodynamique à quatre temps. Le cycle thermodynamique comprend de manière classique une phase d’admission d’air, une phase de compression, une phase de combustion et une phase d’échappement. Le groupe motopropulseur comprend également un système d’échappement des gaz 18 comprenant un collecteur d’échappement 19 prolongé par une conduite d’échappement 20. Une turbine 21 du turbocompresseur 7 est apte à être entraînée en rotation par les gaz d’échappement. En variante, le turbocompresseur 7 pourrait être remplacé par un turbo électrique, c’està-dire un turbo alimenté électriquement en énergie. Un tel turbo électrique permettrait notamment de gérer de manière plus efficace des phases de fonctionnement du moteur en régime transitoire qui pourraient être perturbées par d’importants besoins en air. Chacune des dérivations 17 comprend un moyen de limitation 18 d’un débit d’air traversant la dérivation. Les moyens de limitations 18 et le volet papillon des gaz 15 sont des éléments distincts. Le volet papillon des gaz est positionné en amont des moyens de limitation 18. Le volume d’air à l’intérieur du système d’admission entre le volet papillon des gaz 15 et les soupapes d’admission 22 peut être quelconque. Le volet papillon des gaz 15 est configuré et commandé de sorte à ne pas perturber le fonctionnement du moyen de limitation 18.
Les figures 3 et 4 illustrent plus précisément le carter 3, les chambres de combustion 5, les dérivations 17 et les moyens de limitation 18. En remarque, le moteur comprend ici trois cylindres ou chambres de combustion. D’une manière générale l’invention peut être mise en œuvre pour un moteur comprenant un nombre quelconque de chambres de combustion.
La figure 3 illustre un premier mode de réalisation d’un moyen de limitation
18. Les moyens de limitation 18 sont réalisés ici chacun par un tube de venturi 23 identique. En observant le tube de venturi 23 de l’amont vers l’aval, celui-ci comprend une première portion 24 de forme cylindrique, une deuxième portion 25 convergente de forme globalement tronconique, une portion étroite 26 que l’on pourrait également dénommer un « col », une portion divergente 27 de forme globalement tronconique. Le diamètre D1 de la première portion 24 peut être défini de sorte à limiter les pertes de charge en amont du système d’admission d’air. Le diamètre D2 de sortie du tube venturi peut être imposé par la section des conduits de culasse. Le diamètre D1 peut être sensiblement égal au diamètre D2 et significativement supérieur au diamètre D3 de la portion étroite 26. La portion étroite 26 défini une section d’admission, c’est-à-dire la section du moyen de limitation la plus étroite par laquelle passe le flux d’air traversant le moyen de limitation. Les tubes de venturi débouchent chacun via une dérivation secondaire 28 dans deux orifices d’admission 29 d’air pratiqués dans le carter 3. Les soupapes 22 sont mobiles entre une position d’ouverture dans laquelle l’air présent dans le système d’admission peut entrer dans une chambre de combustion, et une position de fermeture dans laquelle des têtes de soupape 30 obturent chacun des orifices d’admission. Les tubes de venturi 23 sont aptes à limiter le débit d’air traversant chacune des dérivations 17 lors de la phase d’admission du cycle de combustion, c’est-à-dire lorsque les soupapes 22 sont en position d’ouverture. Avantageusement, l’utilisation de tube de venturi ne crée pas de turbulences superflues dans les dérivations, autrement dit elle ne perturbe pas l’aérodynamique interne du système d’admission d’air.
La figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation d’un moyen de limitation 18. Les moyens de limitation 18 sont réalisés ici chacun par une vanne-papillon 31 identiques. La vanne-papillon comprend un volet 32 qui peut être de forme circulaire. Le volet 32 est apte à pivoter autour de l’un de ses diamètres pour faire varier une section d’admission d’air.
En variante, tout autre moyen de réalisation d’un moyen de limitation d’un débit d’air traversant la dérivation pourrait être utilisé. Par exemple, le moyen de limitation 18 pourrait être réalisé par tout type de vanne comme par exemple une vanne à boisseau ou une vanne guillotine. Le moyen de limitation pourrait également comprendre tout type de tube pourvu d’une restriction de section ou une imbrication de deux tubes permettant de limiter un débit d’air le traversant.
La figure 12 illustre un troisième mode de réalisation d’un moyen de limitation 18 selon l’invention. Le moyen de limitation 18 comprend deux portions tubulaires 34, 35 imbriquées l’une dans l’autre : une portion tubulaire extérieure 34 est reliée en amont à la conduite d’admission 14 et une portion tubulaire intérieure 35 est reliée en aval à une chambre de combustion 5. De préférence, les portions tubulaires 34, 35 sont coaxiales ou sensiblement coaxiales. La portion tubulaire intérieure 35 comprend des orifices 36 permettant le passage de l’air depuis la portion tubulaire extérieure 34 vers les chambres de combustion. Comme cela est représenté sur la figure 12, les orifices 36 ont une forme globalement allongée dans le sens des portions tubulaires et sont réparties sur le pourtour de la portion tubulaire intérieure 35. Les dimensions de ces orifices sont définies de sorte à produire la limitation de débit d’air souhaitée. En variante, la forme de ces orifices pourrait être différente. Selon une autre variante, la portion tubulaire intérieure pourrait être reliée à la conduite d’admission 14 tandis que la portion tubulaire extérieure serait reliée à une chambre de combustion 5. La liaison entre la portion tubulaire extérieure 34 et la portion tubulaire intérieure 35 est étanche si bien que l’air ne peut pas s’échapper du système d’admission d’air vers l’extérieur.
En référence à la figure 5, on peut définir un volume utile VU de chaque dérivation 17 comme le volume délimité en amont par le moyen de limitation 18 et en aval par soupape d’admission 22 en position fermée, c’est-à-dire par la tête de soupape 30. Lorsque le moyen de limitation est une vanne apte à être complètement fermée, le volume utile VU peut être défini en amont en considérant la position de fermeture de cette vanne. Lorsque le moyen de limitation comprend une restriction de section comme par exemple un tube de venturi 23, le volume utile peut être défini en amont par exemple par un plan perpendiculaire au flux d’air traversant le moyen de limitation et positionné à mi-parcours de la restriction de section. Par exemple, dans le cas où le moyen de limitation est un tube de venturi le volume utile peut être défini en amont par un plan perpendiculaire au flux d’air et divisant la portion étroite 26 en deux parties égales. On peut également définir le volume de la chambre de combustion VC comme étant le volume de la chambre de combustion 5 lorsque le piston 4 atteint le point mort bas, c’est-à-dire le volume maximal que peut atteindre la chambre de combustion au cours d’un cycle de combustion. Le volume utile VU est strictement inférieur au volume de la chambre de combustion VC. Plus particulièrement, le volume utile VU peut être inférieur ou égal à un tiers, voire inférieur ou égal à un quart du volume de la chambre de combustion VC.
La figure 6 illustre un premier perfectionnement possible du système d’admission d’air selon l’invention : la section d’admission est variable, et non fixe. Un tel système permet d’ajuster le débit d’air en fonction d’un point de fonctionnement donné. Notamment, il permet d’éviter d’injecter de l’air trop froid lorsque le moteur fonctionne à faible charge, et il permet de refroidir l’air lorsque le moteur fonctionne à forte charge. Afin de réaliser ce premier perfectionnement, on peut utiliser des tubes de venturi dont la portion étroite 26 est variable. On peut également utiliser des vannespapillon dont l’orientation des volets 32 est variable.
Les figures 13 et 14 illustrent un mode de réalisation particulier d’un système d’admission d’air à section d’admission variable. Dans ce mode de réalisation, le système d’admission d’air comprend deux portions tubulaires
34, 35 imbriquées l’une dans l’autre tel que décrit plus haut et illustré à la figure 12. En complément, le système d’admission d’air comprend un cylindre 37 mobile en translation et enveloppant la portion tubulaire intérieure 35. Dans une première position du cylindre 37, illustrée sur la figure 13, le cylindre 37 n’obture pas les orifices 36. Dans une deuxième position du cylindre 37, illustrée sur la figure 14, le cylindre 37 obture partiellement les orifices 36. Ainsi, en fonction de la position du cylindre 37 la section de passage de l’air de la portion tubulaire extérieure 34 vers la portion tubulaire intérieure 35 peut être ajustée.
Avantageusement, chacun des moyens de limitation dont la section d’admission est variable peut être reliée électriquement à une unité de commande électronique 33. L’unité de commande électronique 33 peut être apte à émettre des ordres de commande permettant de modifier la section d’admission. Notamment, elle peut commander l’orientation du volet 32 lorsqu’il s’agit d’une vanne-papillon ou la position du cylindre 37 lorsqu’il s’agit d’un système d’admission d’air selon le mode de réalisation illustré aux figures 13 et 14. Ainsi, l’unité de commande électronique 33 peut faire varier le débit d’air passant au travers du moyen de limitation.
La figure 7 illustre un deuxième perfectionnement possible du système d’admission d’air selon l’invention. Ce perfectionnement consiste à rendre variable le volume utile VU. Dans cette optique, la position du moyen de limitation 18 par rapport à la soupape d’admission 22 peut être variable. Notamment, on peut rendre variable la position de portion étroite 26 lorsque le moyen de limitation est un tube de venturi 23. De la même manière, on peut également rendre variable la position du volet 32 d’une vanne-papillon. Cette variabilité peut être obtenue par exemple en faisant coulisser le tube de venturi ou la vanne-papillon à l’intérieur de la dérivation. Avantageusement un actionneur, apte à faire varier la position du moyen de limitation, est relié électriquement à l’unité de commande électronique 33. L’unité de commande électronique 33 peut être apte à émettre des ordres de commande permettant de modifier la position du moyen de limitation et ainsi le volume utile VU.
La mise en place d’un moyen de limitation 18 à section d’admission variable ou à position variable permet d’adapter le système d’admission d’air à tous les points de fonctionnement du moteur. On peut notamment envisager de n’utiliser le système d’admission d’air selon l’invention que pour des points de fonctionnement bien définis et de revenir à système d’admission d’air conventionnel pour des cas d’usage ou il ne serait pas approprié (par exemple en cas de température d’air trop basse ou de capacité de suralimentation limitée).
Les figures 8 et 9 illustrent le fonctionnement du système d’admission d’air selon l’invention. La figure 8 représente un graphique de l’évolution de la pression d’air en amont des soupapes d’admission 22, c’est-à-dire la pression d’air au niveau du volume utile VU, au cours d’un cycle thermodynamique. La pression est indiquée en ordonnée et le temps est indiqué en abscisse. Le graphique est divisé en quatre phases P1, P2, P3, P4 correspondant aux quatre phases du cycle de combustion : la phase d’échappement P1, puis la phase d’admission P2 d’air, puis la phase de compression P3, puis la phase de combustion P4. La pression d’air en amont des soupapes lors des phases d’échappement P1, de compression P3, et de combustion P4 n’influe pas directement le cycle de combustion car les soupapes d’admission sont alors fermées. La phase d’admission P2 peut être décomposée en trois périodes P21, P22, P23 successives.
Lors de la première période P21, la pression d’air en amont des soupapes d’admission est élevée. Cette pression est imposée par la configuration et/ou la conception du turbocompresseur 7. Une pression élevée permet d’une part un remplissage aisé de la chambre de combustion 5. Avantageusement, la pression est suffisamment élevée pour que le moteur ne subisse pas ou peu de perte « par pompage », c’est-à-dire de perte causée par une dépression dans la chambre de combustion lors de la descente d’un piston 4 vers le point mort bas et qui s’oppose au déplacement du piston. Avantageusement, la pression est même suffisamment élevée pour favoriser la descente du piston. Ainsi, le travail du moteur peut être positif lors de la phase d’admission. D’autre part, une pression élevée de l’air en amont des soupapes d’admission permet d’augmenter le potentiel de détente de l’air lors de l’ouverture des soupapes d’admission. L’homme du métier pourra adapter la conception et/ou la configuration du turbocompresseur pour atteindre la pression en amont des soupapes d’admission la plus élevée possible lors cette première période. La pression d’air suralimenté en sortie du compresseur 11 de turbocompresseur 7 peut être par exemple de l’ordre de quatre à cinq Bar.
Lors de la deuxième période P22, une détente de l’air emprisonné dans le volume utile se produit. La pression d’air en amont des soupapes d’admission chute. Comme cela est illustré sur la figure 5, l’air initialement confiné dans le volume utile VU occupe désormais la chambre de combustion. Un taux de détente peut être approximé par la formule suivante:
vu + VC πτ~ vu
K la faveur de cette détente, l’air initialement contenu dans le volume utile VU se refroidit de plusieurs dizaines de degrés dans la chambre de combustion. Un air plus froid permet de réduire, voire d’éliminer le phénomène de cliquetis, c’est-à-dire le phénomène de combustion anormale des gaz dans la chambre de combustion. Si le volume utile était trop important, notamment s’il était supérieur ou égale au volume de la chambre de combustion, aucune détente ne se produirait et l’air ne serait pas refroidi. Le débit d’air au travers du moyen de limitation 18 est nettement inférieur au débit d’air pénétrant dans la chambre de combustion. A mesure que la détente se produit, la vitesse d’écoulement de l’air dans la chambre de combustion ralentit. La vitesse de l’air étant un paramètre prépondérant dans la génération de la structure d’un champ aérodynamique dans la chambre de combustion, il peut être opportun de limiter la détente de l’air pour obtenir un champ aérodynamique efficace, c’est-à-dire pour obtenir une bonne homogénéité du mélange d’air et de carburant dans la chambre de combustion 5. De plus, une température trop basse dans la chambre de combustion peut conduire à des difficultés de vaporisation du carburant. L’homme du métier pourra ajuster le taux de détente à une valeur permettant d’obtenir un bon compromis entre la diminution du cliquetis et la difficulté de vaporisation du carburant. Par ailleurs, la détente de l’air dans la chambre de combustion est favorable à la génération d’une turbulence de type « tumble >> dans la chambre de combustion, ce qui réduit encore le risque de cliquetis.
Lors de la troisième période P23, la pression d’air en amont des soupapes demeure à un niveau bas. Le moyen de limitation 18 empêche, au moins en partie, l’air sous pression contenu dans le système d’admission en amont du moyen de limitation de s’engouffrer dans la chambre de combustion. L’air entré dans la chambre de combustion est donc quasiment exclusivement composé d’air préalablement situé en aval du moyen de limitation 18. D’une part, cette faible pression permet de maintenir l’air présent dans la chambre de combustion à basse température. D’autre part, la rétention d’air par le moyen de limitation permet d’augmenter la pression d’air en amont du moyen de limitation. Cette rétention permet donc d’obtenir une pression d’air importante pour la première période P21 de la phase d’admission P2 du cycle de combustion suivant.
A l’issue de la phase d’admission P2, les soupapes d’admission se ferment. Le volume utile VU se remplit d’air progressivement et la pression d’air dans le volume utile remonte progressivement. Après éventuellement quelques fluctuations, la pression d’air en amont des soupapes atteint le même niveau qu’au début de la phase d’admission P2. On remarque qu’il faut typiquement la durée d’une seule des quatre phases du moteur pour que la pression retrouve son niveau d’origine. On comprend donc que le système d’admission selon l’invention est également compatible avec un moteur fonctionnant selon un cycle à deux temps.
La figure 9 illustre un diagramme de la pression dans la chambre de combustion en fonction du volume de la chambre de combustion au cours d’un cycle à quatre temps. Un tel diagramme, également dénommé « diagramme pression-volume >> ou « diagramme de Clapeyron >>, permet de visualiser le travail fourni par le moteur au cours d’un cycle de combustion en observant l’aire définie à l’intérieur de la courbe. La pression à l’intérieur de la chambre de combustion est indiquée en ordonnée et le volume de la chambre de combustion est indiqué en abscisse. On représente sur le même graphique par un trait en pointillés T1 le cycle d’un moteur équipé d’un système d’admission selon l’état de la technique, et par un trait plein T2 le cycle d’un moteur équipé d’un système d’admission selon l’invention. Le sens dans lequel le diagramme est parcouru au cours du cycle de combustion est indiqué par quatre flèches F1. Le diagramme comprend deux boucles : une boucle supérieure dite boucle haute pression correspondant aux phases de compression P3 et de combustion P4, et une boucle inférieure dite boucle basse pression, correspondant aux phases d’échappement P1 et d’admission P2. Le travail produit par le moteur est positif lorsqu’on parcourt la boucle haute pression, mais également lorsqu’on parcourt la boucle basse pression car la pression d’air lors de la phase d’admission est supérieure à la pression des gaz lors de la phase d’échappement. On remarque que l’aire définie par le trait plein T2 est plus importante que l’aire définie par le trait en pointillés T1 dans deux zones du graphique Z1, Z2, ce qui signifie que le travail produit par un moteur équipé d’un système d’admission selon l’invention est plus important que le travail produit par un moteur équipé d’un système d’admission selon l’état de la technique. Une première zone Z1 illustre la diminution des pertes par pompage. Une deuxième zone Z2 illustre les gains obtenus par la réduction du phénomène de cliquetis.
L’invention modifie l’allure du diagramme pression-volume d’un même moteur et permet d’envisager des simplifications du groupe motopropulseur. Selon une première variante de réalisation du groupe motopropulseur, illustrée à la figure 10, on supprime l’échangeur thermique
13. Cette suppression est rendue possible par la baisse de température de l’air produite lors de la période de détente P22 de la phase d’admission. On économise également la deuxième conduite 12 puisque le compresseur du turbocompresseur est directement relié au volet papillon des gaz. Le cheminement de l’air dans le système d’admission d’air est simplifié et on évite ainsi des pertes de pression liées à la longueur du système d’admission d’air ou liées au passage de l’air dans un échangeur thermique. Le groupe motopropulseur ainsi obtenu est également plus simple à assembler et plus compact. En variante, l’échangeur thermique 13 pourrait non pas être supprimé mais être sous-dimensionné comparativement aux échangeurs thermiques de l’état de la technique.
Selon une deuxième variante de réalisation du groupe motopropulseur, illustrée à la figure 11, on supprime également le volet papillon des gaz. Préférentiellement, cette suppression s’accompagne de l’utilisation de moyen de limitation 18 dont la section d’admission est variable, conformément au premier perfectionnement décrit plus haut. Ainsi on peut ajuster individuellement la quantité d’air admis dans chacune des chambres de combustion. Le groupe motopropulseur ainsi obtenu est encore plus simple à assembler et encore plus compact. De plus le pilotage individuel de la quantité d’air admis dans chacune des chambres de combustion permet d’envisager une gestion plus précise de l’admission d’air.
Grace à l’invention, on peut donc concevoir des groupes motopropulseurs réduisant ou éliminant le phénomène de cliquetis et dont l’architecture est simplifiée. De plus, le moyen de limitation isole acoustiquement le moteur du système d’admission d’air. Les vibrations de l’air en amont du système d’admission d’air ne sont donc pas répercutées en aval du système d’admission d’air. Par conséquent, on s’affranchit des contraintes de dimensionnement de la ligne d’admission d’air en amont du moyen de limitation imposées par le fonctionnement du moteur. Avantageusement, le groupe moteur selon l’invention peut également équiper un dispositif de recharge de batterie pour un véhicule hybride, voire des machines différentes d’un véhicule automobile, comme par exemple un groupe électrogène.

Claims (13)

  1. Revendications
    1. Système d’admission d’air (6) comprenant au moins une conduite d’admission d’air (17), l’au moins une conduite d’admission d’air (17) étant destinée à être reliée à une chambre de combustion (5) d’un moteur à combustion (2) à allumage commandé et étant destinée à être obturée par une soupape d’admission (22), caractérisé en ce qu’il comprend un moyen de limitation (18) d’un débit d’air traversant l’au moins une conduite d’admission d’air (17), et en ce que l’au moins une conduite d’admission d’air (17) comprend un volume utile (VU) délimité en amont par le moyen de limitation (18) et en aval par une soupape d’admission (22) dans une position de fermeture, le volume utile (VU) étant strictement inférieur à un volume d’une chambre de combustion (VC) à laquelle la conduite d’admission d’air (6) est destinée à être reliée, ledit volume d’une chambre de combustion (VC) étant défini au point mort bas.
  2. 2. Système d’admission d’air (6) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen de limitation (18) comprend :
    - une vanne, et/ou
    - une vanne-papillon (31), et/ou
    - une vanne guillotine, et/ou
    - une vanne à boisseau, et/ou
    - un tube de venturi (23), et/ou
    - un tube comprenant une restriction de section, et/ou
    - un assemblage de deux tubes coaxiaux (34, 35) un tube intérieur (35) comprenant des orifices (36) limitant un débit d’air entre un tube extérieur (34) et le tube intérieur (35).
  3. 3. Système d’admission d’air (6) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de limitation (18) comprend une section d’admission géométriquement variable.
  4. 4. Système d’admission d’air (6) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume utile (VU) est variable, notamment en ce que la position du moyen de limitation (18) par rapport à la soupape d’admission (22) est variable.
  5. 5. Système d’admission d’air (6) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume utile (VU) est inférieur ou égal à un tiers, voire inférieur ou égal à un quart du volume d’une chambre de combustion (VC).
  6. 6. Système d’admission d’air (6) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conduite d’admission d’air (17) comprend un collecteur d’admission (16) et une pluralité de dérivations (17) reliés au collecteur d’admission (16), chaque dérivation (17) étant destinée à être reliée à une chambre de combustion (5) d’un moteur à combustion (2) à allumage commandé, et chaque dérivation (17) étant destinée à être obturée par une soupape d’admission (22), chaque dérivation (17) comprenant un moyen de limitation (18) d’un débit d’air traversant ladite dérivation (17).
  7. 7. Système d’admission d’air (6) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un volet papillon des gaz (15) en amont dudit moyen de limitation (18).
  8. 8. Groupe moteur, notamment groupe motopropulseur (1), caractérisé en ce qu’il comprend un moteur à combustion (2) à allumage commandé et un système d’admission d’air (6) selon l’une des revendications précédentes.
  9. 9. Groupe moteur, notamment groupe motopropulseur (1), caractérisé en ce qu’il comprend un moteur à combustion (2) à allumage commandé et un système d’admission d’air (6) selon la revendication 6, chaque moyen de limitation (18) comprenant une section d’admission géométriquement variable, et en ce que le groupe moteur ne comprend pas de volet papillon des gaz (18).
  10. 10. Groupe moteur, notamment groupe motopropulseur (1 ), selon l’un des revendications 8 à 9, caractérisé en ce qu’il ne comprend pas de dispositif de refroidissement d’un air d’admission, notamment en ce qu’il ne comprend pas d’échangeur thermique apte à refroidir un air d’admission.
  11. 11. Groupe moteur, notamment groupe motopropulseur (1), selon l’une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend un turbocompresseur (7).
  12. 12. Véhicule automobile (V), caractérisé en ce qu’il comprend un système d’admission d’air (6) selon l’une des revendications 1 à 7 et/ou un groupe moteur, notamment un groupe motopropulseur (1) selon l’une des revendications 8 à 11.
  13. 13. Groupe électrogène, caractérisé en ce qu’il comprend un système
    5 d’admission d’air (6) selon l’une des revendications 1 à 7 et/ou un groupe moteur selon l’une des revendications 8 à 11.
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