Brevet FR2265986A1 — publié le 19751024

La présente invention cpncerne -un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres, et plus spécialement un dispositif de purification des gaz d'echappe- ment de ce moteur. Le probleme social de la pollution de l'air par les gaz d'échappement des moteurs des véhicules routiers est devenu récemment important. Pour résoudre ce problème, on a proposé différents genres de dispositifs de purification des gaz d'échappement, mais on se heurte à de nombreuses difficultés concernant le coût, la capacité de contrôle, la fiabilité, la durée et la taille du dispositif. En général le moteur du véhicule est conçu pour envoyer un mélange aircombustible en proportionvolumétrique constante à chacun de ses cylindres0 Pour un rapport air/combustible (air-essence) procurant une consommation minimale de combustible à charge partielle, la concentration d'oxydes d'azote (NOx) dans les gaz d'échappement est élevée, cependant que pour une ouverture presque maximale du papillon les concentrations d'oxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures dans les gaz dtech-appement sont élevées, car le rapport airi combustible est à sa valeur maximale.Le moteur habituel à plusieurs cylindres présente donc l'inconvénient que les concentrations d'oxydes d'azote de carbone et d'hydrocarbures dans les gaz d'échappement sont élevees, quelle que soit l'allure du véhicule, En outre le moteur habituel produit des gaz d'échappement polluants contenant des constituants non brûles tels que oxyde de carbone et des hydrocarbures, car le mélange d'air et de combustible ne brûle pas completement en raison de la température plus basse près des parois internes des cylindres quand le moteur tourne à faible vitesse, Il est possible de réduire les concentrations d'oxyde de carbone et d'hydrocarbures en fournissant suffisamment d'air dans les cylindres pour allumer de façon efficace le mélange air-combustible à température élevée, Cependant une augmentation de la: température produit une augmentation de la concentration d'oxydes d'azote selon la réaction N2 + O ) 2 NO - Q kilocalories. Pour réduire la concentration d'oxydes d'azote, il est donc nécessaire de réduire la température de combustion, en réduisant ainsi le rendement du moteur. Un autre procédé pour réduire la concentration en constituants polluants dans les gaz cI'échappement est de faire recirculer une partie des gaz d'echappement vers une tubulure d'admission.Pour stabiliser et améliorer la combustion dans ce procédé, on dispose simultanément à la recirculation des gaz d'échappement un dispositif de mélange d'air et de combustible, par exemple un carburateur, une pompe à. in 3ection de combustible ou des dispositifs auxiliaires d'alimentation en combustible, de façon à fournir une quantité supplémentaire de combustible dans la tubulure d'admission de recirculation ; sinon il se produirait une instabilité de la combustion en raison de l'absence d'introduction de combustible supplémentaire0 Cependant il est nécessaire de maintenir le taux de recirculation de gaz non brayes, y compris le gaz restant dans la chambre du moteur, à une valeur sensiblement constante0 La structure de ce dispositif est donc compliquée et son cotit est élevé, Pour eviter ces inconvénients la présente invention tire partie des caractères suivants de la combustion dans un moteur à combustion interne 1/ La densité d'oxydes d'azote est faible pour des mélanges air-combustible riches (plus riches que le rapport idéal air/combustible) et pour des mélanges air-combustible pauvres (plus pauvres que le mélange idéal), 2/ Les concentrations dtoxydes d'azote et d'hydroxarbures sont élevées pour des mélanges air-combustible riches. 3/ Pour un mélange air-combustible pauvre, les concentrations d'oxydes de carbone et d'hydrocarbures sont faibles et la concentration d'oxygène résiduaire est élevée. Le but de la présente invention est de réaliser un moteur à combustion interne ayant une combustion améliorée du carburant avec une production de gaz d'échappement polluants réduite, et de fournir un procédé perfectionné de fonctionnement et de combustion du moteur. Un autre but de l'invention est la réalisation d'appareils et la mise en oeuvre d'un procédé, permettant d'obtenir une quantité réduite des gaz d'échappement polluants d'un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres en alimentant un cylindre par un mélange riche air-carburant et un deuxième cylindre par un mélange pauvre air-carburant, et en combinantles gaz d'échappement des cylindres. Encore un autre but de l'invention est l'obtention d'une réduction quantitative des gaz d'échappement polluants de moteurs à combustion interne en utilisant des taux prédéterminés, comme définis dans la présente demande, de mélanges riches air-carburant et de mélanges pauvres air-carburant qui alimentent les différents cylindres du moteur pour un allumage essentiellement simultané, mais les gaz d'échappement des différents cylindres étant combinés et mélangés dans un réacteur conmrun, et de l'air secondaire frais étant injecté dans le réacteur si besoin est. Les buts mentionnés ci-dessus seront mieux compris à la lumière de la description suivante. Selon l'invention, un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres comprend au moins une paire de cylindres, un premier cylindre de cette paire étant disposé de façon à recevoir un mélange riche et un second cylindre de cette paire disposé de façon à recevoir un mélange pauvre, ainsi que des premiers moyens pour fournir ledit mélange riche reliés au premier cylindre, des seconds moyens pour fournir ledit mélange pauvre reliés audit second cylindre, et une chambre de combustion thermique reliée auxdits cylindres et recevant les gaz d'échappement de ceux-ci, ladite paire de. cylindres étant disposée de façon à avoir un allumage simultané, les rapports air/combustible desdits mélanges étant ajustés de façon que le rapport global air/combus-tible imbrûlé des gaz d'échappement du premier et du second cylindre dans la chambre de réaction soit compris entre 13 et 17. II est décrit ci-après a titre d'exemple et en référence aux dessins annexés un moteur à combustion interne selon 1 'invention La figure 1 représenteune vue en coupe du moteur à combustion interne. La figure 2 représente une vue en coupe selon l'axe II-II-de la figure 1. La figure 3 est un diagramme réprésentant les résultats expérimentaux obtenus avec divers rapports air/combustible imbrulé des mélanges riche et pauvre, et les teneurs en oxydes d'azote quand le rapport global air/coSbustible imirtle des gaz d'échappement est compris entre 15 et 17. La figure 4 est un diagramme représentant d'autres résultats expérimentaux en fonction des rapports air/combustible imbrûlé des mélanges, et les teneurs en oxydes d'azote, en hydrocarbures et en oxyde de carbone quand le rapport global air/combustible des gaz d'echappement est maintenu entre 12 et 16. En se référant aux figures 1 et 2, celles-ci représentent un moteur à combustion interne selon l'invention à quatre cylindres, divisés en un premier groupe A de deux cylindres recevant un mélange riche air-combustible (airessence) et un second groupe B de deux cylindres recevant un mélange pauvre air-combustible (air-essence), chaque paire de cylindres A et B étant allumée simultanément, ou sensiblement simultanément0 Par exemple, 300 environ avant la position point mort haut pour le mélange pauvre et 10 environ avant la même position pour le mélange riche Un purificateur d'air 1 est disposé en amont des moyens d'alimentation en en mélange riche 2 et des moyens d'alimentation en mélange pauvre 2', et relié à ceux-ci par des boulons 19. Ges moyens d'alimentation 2 et 2t sont disposés de façon à introduire les mélanges riche et pauvre dans les groupes de cylindres A. et B respectivement, et ils peuvent etre du type carburateur ou pompe à injection de combustible. Dans la forme de réalisation représentée les moyens d'alimentation 2 et 2' sont des carburateurs identiques l'un à l'autres Les carburateurs 2 et 2' comportent des venturis 3 et 3' et des vannes papillon 4 et 4' respectivement. Les tubulures d'admission 5 et 5' sont reliées aux carburateurs 2 et 2' en aval de ceux-ci de façon à fournir le mélange riche et le mélange pauvre aux groupes de cylindres A et Il respectivement. Le reste de la structure du moteur est similaire à celle dtun moteur habituel, Les chiffres de références normaux représentent les organes des cylindres A-du mélange riche, et les mêmes chiffres de références avec apostrophe (t) ceux des cylindres B pour le mélange pauvret La structure des deux groupes de cylindres est identique. Le moteur comprend des soupapes d'admission 6 et 61 pour le controle de l'introduction du mélange dans les groupes de cylindres A et B, et des soupapes dtechappement-7 et 7' pour le contrôle de la sortie des gaz d'échappement, Des pistons 8 et 8' sont disposés dans les groupes de cylindres A et B et définissent des chambres de combustion respectives il et 11'. Les pistons 8 et 8' sont reliés à un vilebrequin 10 par le moyen de bielles 9 et 9'. Les orifices d'échappement 12, dont un seul est représenté en figure 2, sont reliés à un dispositif d'echappement, et une chambre de combustion thermique 13 y est disposée. La chambre 13 qui permet l'allumage de l'ensemble des gaz d'échappement des groupes de cylindres A et B peut être par exemple une tubulure d'échappement de grande dimension, un orifice d'échappement ou un tube (ou une portion de tube) de grand volume, disposé aussi près que possible des chambres de combustion 11 et 11'. 14 désigne un tube d'échappement relié à la chambre de combustion thermique 13, et 15 représente une tête de cylindre, Le vilebrequin 10 est monté à l'aide d'un écrou 20 et d'une goupille dans un carter 16 avec chambre d'huile 17. 18 représente un ventilateur de refroidissement du circuit d'eau du moteur. Le moteur a combustion interne décrit ci-dessus fonctionne comme suit : Quand le moteur démarre, l'air aspiré à travers l'épurateur d'air 1 est mélangé avec le combustible (essence) pour produire le mélange riche au carbùra- teur 2 et le mélange pauvre au carburateur 2'. Le mélange riche et le mélange pauvre sont introduits par les tubulures d'admission 5 et 5' dans les chambres de combustion Il et 11' respectivement. Ensuite les mélanges se transforment en gaz d'échappement après un cycle de fonctionnement du moteur, ctest- -dire compression, allumage et détente, comme dans les moteurs a combustion interne a cylindres multiples et les moteurs rotatifs-du type Wankel.Les gaz d'échappement engendrés entrent dans. la chambre de réaction thermique 13 par les orifices d'échappement 12. Comme les sorties des orifices 12 sont disposées dans la chambre de réaction thermique 13, de façon à produire un écoulement en spirale commun des gaz d'échappement des groupes de cylindres A et B lorsque ceux-ci entrent dans lachambre 13, les gaz d'échappement sont complètement mélangés et forment un gaz d'échappement global qui présente de faibles concentrations en oxyde de carbone et en hydrocarbures, en raison d'une combustion sensiblement parfaite de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures contenus dans les gaz du mélange riche avec l'oxygène résiduel du gaz d'échappement du mélange pauvre ; ils sont ensuite évacués à traverse tube d'échappement 14 à l'atmosphère. En outre, on obtient une réduction suffisante de la teneur en oxydes d'azote, car le moteur est construit comme indiqué ci-dessus pour comporter un groupe de deux cylindres A alimenté en mélange riche et un autre groupe de deux cylindres B alimenté en mélange pauvre, tandis que dans un moteur habituel le mélange introduit dans les cylindres possède les memes rapports air/combustible, légèrement supérieurs ou inferieurs au rapport air1combustible idéal. Dans la variante décrite, comme le rapport air/combustible de l'ensemble des gaz d'échappement dans la chambre de réaction thermique 13 est fixé entre 15 et 17, il est possible de produire une combustion sensiblement parfaite de oxyde de carbone et des hydrocarbures sans ajouter un dispositif d'amenée d'air secondaire dans le dispositif d'échappement. Si on le désire, on peut amener de l'air secondaire au dispositif dtechappement des cylindres A du mélange riche. Dans ce cas la pompe à air à utiliser peut être de faible capacité car le volume d'air à fournir est inférieur au volume d'air secondaire que l'on fournit normalement.Un ajustement de l'allumage des groupes de cylindres- A et B à des instants procurant une formation minimale d'oxydes d'azote peut procurer une purification plus efficace du gaz d'échappement. Il apparattra par les résultats expérimentaux ci-dessus de dix allures de fonctionnement basés sur une méthode d'essai des règlements japonais pour des gaz d'échappement, comme représenté en figure 3, que la formation d'oxydes d'azote est extrêmement faible Cette figure represente le rapport volume-trique air/combustible A/F du mélange riche et la production d'oxydes d'azote NO R x (en g/km) en fonction du rapport volumétrique air/combustible A/FL du mélange pauvre, pour diverses valeurs du rapport global air/combustible A/F.Ces mesures à dix allures de fonctionnement comportent la mesure de la composition pondérale du gaz d'échappement du, véhicule qui est évacué du tube d'échappement à l'atmosphère aux allures suivantes de fonctionnement du véhicule chargé de I10 kg en plus de son propre poids Allure de fonctionnement Temps (en secondes) Fonctionnement au point mort 20 Accélération du départ jusqu'à 20 km/heure 7 Allure constante de 20 km/heure 15 Décélération de 20 kmfheure jusqu'à l'arrêt 7 Fonctionnement au point mort 16 Accélération du départ jusqu'à 40 km/heure 14 Allure constante à 40 km/heure 15 Décélération de 40 kmpheure jusqu'à 20 km/heure 10 Allure constante à 20 Emheure 2 & céleration de 20 kmpheure à 40 km/heure 12 Décélération de 40 kmXheure à l'arrêt 17 Dans cet essai, on désire ajuster les rapports air/combustible des mélanges riche et pauvre de manière à amener le rapport global air/combustible A/F des gaz d'échappement des groupes de cylindres A et B à être représenté par ltequation suivante dans laquelle A/F est le rapport airtcombustible du mélange riche des cylindres R AJFL est le rapport air/combustible du mélange pauvre des cylindres L B;; est le volume d'air frais introduit dans le cylindre A AL est le volume d'air frais introduit dans le cylindre B n = AL rapports air/combustible A et A des mélanges riche et pauvre a F AL fournir au moteur sont légèrement différents des rapports air/combustible imbrûlé des gaz des chambres de combustion Il et 11' après l'allumage, car le gaz d'échappement recyclé dans le moteur et le gaz de combustion restant dans le cylindre sont mélangés avec les mélanges d'alimentation, mais le rapport global air/combustible imbrûlé des gaz d'échappement dans l'équation (1) et le rapport total air/combustible des mélanges riche et pauvre avant la combustion dans le cylindre ont sensiblement les mêmes valeurs. Les rapports respectifs air/combustible des mélanges rIche et pauvre sont déterminés dans les limites représentées en figure 3 en fonction des exigences requises par les règlements pour le gaz d'échappement. Par exemple pour satisfaire à l'essai de dix allures de fonctionnement d'après le procédé d'essai des règlements japonais, il est désirable de fixer les rapports respectifs air/ combustible des mélanges riche et pauvre dans les limites A/FR = 12,5 + 1,0 et AJF; = 22,0 + 1,0 pour la condition A/F = 16, comme représenté au point S de la figure 3. Dans ce cas, la quantite d'oxydes d'azote dans le gaz d'échappement global envoyé à l'atmosphère est de 0,2 gramme par kiiomètre, commereprésenté au point S' sur la courbe caractéristique des oxydes d'azote représentée en figure 3. Les hydrocarbures et l'oxyde de carbone ne seront pas évacués'à l'atmosphère, car ces constituants sont brûlés dans la chambre de réaction thermique 13 dans laquelle le rapport global air/combustible des gaz d'échappement est ajusté à la valeur A/F = 16.Dans cette variante le rapport entre les volumes d'air frais dans les cylindres A et B est fixé à la valeur n = AL = I, mais ce rapport AR peut être déterminé et varié de façon appropriée selon les nécessités pour produire le mye résultat que dans cette variante La figure 4 représente les courbes du rapport air/combustible A/FR du mélange riche en fonction du rapport air/combustible. A/FL du melange pauvre pour diverses valeurs du rapport global air/combustible A F dans un domaine plus large, ainsi que les courbes caractéristiques des teneurs en oxydes d'azote NOx, en oxyde de carbone CO et en hydrocarbures (HC), de façon analogue à la figure 3, mais il est disposé une pompe à air pour amener l'air secondaire au dispositif d'échappement de la chambre de combustion thermique 13. w Quand le rapport global air/combustible est fixé au-dessus de F = 15, l'air secondaire peut etre ou ne pas être envoyé au systeme l'échappement de la chambre de réaction 13, mais il est nécessaire de le lui fournir quand le rapport A global air/combustible est au-dessous de F = 15. L'apport d'air secondaire au système d'échappement ou à la chambre de réaction permet de briller les hydrocarbures et oxyde de carbone des gaz d'échappement.Ainsi on peut réduire l'évacuation des constituants polluants des gaz d'échappement Dans ce cas, les rapports air/combustible des mélanges riche et pauvre sont aussi déterminés de façon appropriée dans les limites représentées en figure 4-en fonction des exigences des règlements, de sorte que l'on obtient le moeme résultat. Par exemple le rapport global air/combustible des gaz d'échappement est fixé à la valeurs = 14,5, comme représenté au point T de la figure 4, et les limites des rapports respectifs air/combustible des mélanges riche et pauvre sont fixées aux valeurs A = 11,5 + 1,0 et AFL s 19,5 + 1,0.Cependant il est Fa nécessaire de fournir l'air secondaire au dispositif d'échappement ou à la chambre de réaction thermique 13, et quand cette admission d'air secondaire a lieu, les quantités d'hydrocarbures et d'oxyde de carbone à évacuer sont réduites, comme représenté aux points T' et T" des courbes çaractéristiques des hydrocarbures et de l'oxyde de carbone de la figure 4 Quand le rapport global air/combustible est au-dessus de la valeur A = 15, les constituants du gaz F d'échappement, hydrocarbures et oxyde de carbone, voient leurs teneurs réduites dans la chambre de combustion thermique 13 sans introduction d'air secondaire. Le débit d'admission de l'air secondaire à la chambre de combustion 13 est d'environ 10 % de l'air frais ( = AL) à l'admission. Cet air secondaire est de préférence amené par une pompe à air 21 entraînee Far le moteur à une uitesse proportionnelle à celle du moteur, pour alimenter le réacteur en air frais par un tube 22. Cet air frais est normalement ajouté aux gaz d'échappement lorsqu'ils circulent vers le réacteurs Cela permet d'eIargir la gamme de variation des rapports A/F allant de 13 à 17, alors que, dans le cas ou il n'y a pas d'alimentation en air frais, ces rapports varient de 15 17. Les moyens 23 et 24 déterminant les instants d'allumage des cylindres 6 et 6' respectivement, sont représentés schématiquement sur la figure 1.De tels moyens peuvent comporter un distributeur classique ayant un dispositif d'avance à l'allumage à vide, de sorte que les instants d'allumage peuvent être réglés convenablement. L'invéntion procure l'avantage que les constituants polluants des gaz d'échappement, spécialement les oxydes d'azote, oxyde de carbone et les hydrocarbures engendrés dans le moteur habituel, peuvent voir leurs teneurs réduites de façon efficace en utilisant les caractéristiques inhérentes de la combustion dans le moteur sans recourir à un dispositif coûteux de purification catalytique, en réduisant ainsi le coût du dispositif de purification et en le rendant plus compact. Les rapports selon l'invention sont indiqués en tant qué nombres entiers de 13 à 17, mais il s'agit d'une représentation simplifiée des rapports- variant de 13 à 1, à 17 à 1. Bien que le présent texte décrive un exemple complet de réalisation de l'invention, on comprendra que diverses modifications peuvent être apportées à cet exemple particulier, sans sortir du cadre de l'invention. REVI21DICATIONS 1/ Moteur à combustion interne à plusieurs cylindres, comprenant au moins une paire de cylindres, des premiers moyens d'alimentation en melange riche reliés au premier cylindre, des seconds moyens d'alimentation en mélange pauvre reliés au second cylindre, et une chambre de combustion thermique reliée aux deux cylindres et recevant les gaz d'échappement de ces cylindres, ladite paire de cylindres étant disposée de façon à avoir un allumage sensiblement simultané, les rapports air/combustible desdits mélanges étant ajustés de façon à obtenir un rapport global air/combustible imbrûlé des gaz d'échappement des premier et second cylindre dans ladite chambre de combustion dans un rapport entre 13 et 17. 2/ Moteur à combustion interne selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour régler l'instant de l'allumage de façon à réduire la teneur en gaz polluants contenus dans les gaz d'échappement desdits premier et second cylindres. -3/ Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour introduire de l'air secondaire frais dans ladite chambre de combustion thermique. 4/ Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour fournir de l'air secondaire sont réglés de façon à assurer l'appoint d'air secondaire à la chambre de combustion thermique quand le rapport global air/combustible ambrAlé est de l'ordre de 13 à 15. 5/ Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport airicombustible imbrlilé A/F des gaz d'échappement des cylindres est déterminé par l'équation W/F = i A/F x A/FL = 13 r x A/F = 13 à 17 (1) A/F A/F dans laquelle A/FR est e rapport air/combustible du mélange riche des cylindres A, A/FL le rapport air/combustible du mélange pauvre des cylindres B, L et où n = A > AR étant un volume d'air frais amené aux cylindres A, et me un volume d'air frais amené aux cylindres B. -6/ Procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres caractérisé par le fait qu'il comprend comme étapes successives l'alimentation d'un premier cylindre en mélange riche air-combustible, l'alimentation d'un deuxième cylindre en mélange pauvre air-combustible, l'allumage des mélanges et la combinaison des gaz d'échappement chauds desdits cylindres dans une chambre de combustion thermique. 7/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé par r fait qu'il comprend en outre comme étapes : Itallumage sensiblement simultané des mélanges dans les cylindres et l'évacuation sensiblement simultanée des gaz d'échappement des cylindres 81 Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre comme étape le réglage du rapport du mélange air-combustible amené auxdits -premier et second cylindres, de telle sorte que les gaz d'echappement se forment à l'intérieur de ladite chambre de combustion à partir d'un mélange air-combustible imbrûlé de rapport variant entre 13 à 1 et 17 à 1 9/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre comme étape le réglage du rapport des mélanges air-combustible amenés auxdits premier et second cylindres, de telle sorte que les gaz d'échappement à l'intérieur de la chambre de combustion soient formés à partir d'un mélange air-combustible imbrûlé de rapport variant entre 13 à 1 et 17 à 1, le rapport air/combustible imbrCléiF des gaz d'échappement des cylindres étant déterminé par l'équation :: w = n+I gaz = 13 à 17, dans F - n + A/F FL L A/F du mélange rche des cylindres A, laquelle A/FR est le rapport air/combustible A/FL le rapport air/combustible du mélange pauvre des cylindres B, et où n = An , AR étant AR un volume d'air frais amene aux cylindres A, et AL un volume d'air frais amené aux cylindres B 10/ Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comprend l'alimentation en air frais des gaz d'échappement chauds dans ladite chambre de combustion lorsque le rapport-air/combustible imbrûlé se situe entre 13 à 1 et 15 à1.