Brevet FR2383310A1 — publié le 19781006

L'invention concerne généralement un procédé et un dispositif pour améliorer le rendement d'un moteur à combustion interne tel qu'un moteur Diesel suralimenté par exemple, et a pour objet un procédé et un dispositif pour améliorer notamment le balayage des cylindres surtout aux bas régimes, et aux faibles charges. D'une façon connue, pour obtenir un meilleur rendement d'un moteur particulièrement du type à suralimentation, on cherche à assurer un bon balayage des cylindres, ce qui permet d'augmenter la masse d'air admise dans chaque cylindre et de refroidir notamment les soupapes d'échappement. Cependant, il peut arriver surtout aux bas régimes (marche au ralenti et marche à vide du moteur) que la pression d'admission soit insuffisante par rapport à la pression d'échappement pour assurer le balayage des cylindres. Par exemple, dans le cas le plus défavorable, on peut avoir une pression d'échappement à 1,8 kg/cm2 pour une pression d'admission d'environ 1 kg/cm2. Etant donné que l'on a généralement un retard à la fermeture de la soupape d'échappement et une avance à l'ouverture de la soupape d'admission, on a inévitablement une communication entre le collecteur d'admission et le collecteur d'échappement tant que la soupape d'échappement n'est pas fermée. Aussi, pendant ce laps de temps, si la pression d'échappement est supérieure à la pression d'admission, on ne peut pas assurer un balayage correct des cylindres mais on a au contraire un contre-balayage très défavorable. En outre, au cas où la différence de pression est la plus défavorable (0,8 kg/cm2), on est obligé de débrayer la turbine de chaque turbo-compresseur de suralimentation et d'entratner le compresseur mécaniquement pour éviter un contrebalayage excessif. Cela est très compliqué, cher et augmente d'une façon appréciable (d'environ 30 %) la consommation. Pour pallier cet inconvénient, on peut diminuer ou même supprimer le croisement entre la période d'ouverture des soupapes d'admission et la période de fermeture des soupapes d'échappement, en évitant ainsi le risque de contre-balayage, mais on n'a pas, pour autant, de balayage, si bien que la puissance du moteur est diminuée et les soupapes d'échappement ne sont pas refroidies. Un but principal de l'invention est notamment de supprimer le risque de contre-balayage de préférence aux faibles charges tout en permettant le balayage des cylindres, sans la nécessité d'une suralimentation aux bas régimes du moteur, ce qui par conséquent permet d'éviter l'entratnement mécanique du compresseur de la turbo-soufflante pour le cas le plus défavorable précité. A cet effet, le procédé conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à constituer une réserve de gaz, pendant la phase d'admission, avec l'air d'admission et à le comprimer en retardant la fermeture de la soupape d'admission notablement au-delà des valeurs habituelles, par exemple, de plus de 500 d'angle de rotation d'arbre à manivelles. Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste à constituer pour chaque cylindre et au cours de chaque cycle avant la phase d'échappement, une réserve d'air comprimé et à balayer le cylindre par la détente de cet air comprimé au début de la phase de balayage du cycle suivant. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste à constituer chaque réserve d'air comprimé dans le conduit d'admission correspondant. Un autre but essentiel de l'invention est de diStLerlatempé- rature en fin de compression de préférence aux charges élevées. A cet effet, le procédé conforme à l'invention est caractérisé en ce que l'on crée au moins une fuite de dérivation d'air contournant le volume de confinement de la réserve d'air précitée en direction du collecteur d'admission. L'invention propose également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, caractérisé en ce qu'il comprend un clapet anti-retour logé dans le conduit d'admission soit dans la culasse soit dans la tuyauterie de raccordement du collecteur d'admission à la culasse, le volume de confinement de la réserve d'air précitée étant délimité entre la soupape d'admission et le clapet anti-retour. D'autres avantages, caractéristiques et détails apparattront plus clairement à l'aide de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels - les figures 1 à4 représentent schématiquement un cylindre de travail du moteur, pourvu du dispositif conforme à 1 l'in- vention en illustrant les différentes étapes du procédé aux faibles charges - les figures 5 et 6 illustrent schématiquement les étapes du procédé aux charges élevées - la figure 7 représente sous forme graphique et suivant une échelle logarithmique différents cycles de moteur pour des charges élevées dont celui de l'invention, à titre de comparaison ; et - la figure 8 représente graphiquement suivant une échelle logarithmique les courbes des températures de compression ( K) des cycles de moteur de la figure 7, en fonction de l'angle de rotation de l'arbre manivelle ( AM). En se référant à la figure 1, on a représenté schématiquement un cylindre de moteur 1 avec son piston 2, le collecteur d'admission 3 avec la tubulure de raccordement 4 à la culasse du cylindre, la soupape d'admission 5, le collecteur d'échappement 6 avec la tubulure de raccordement 7 à la culasse du cylindre, et la soupape d'échappement 8. Selon l'invention, il est prévu - un clapet anti-retour 9 monté dans le conduit d'admission par exemple-dans la tubulure de raccordement 4. Ce clapet 9 est monté de façon à assurer une communication unidirectionnelle dans le sens collecteur d'admission-cylindre. - au moins une tubulure de dérivation 10 sensiblement de même diamètre que la tubulure de raccordement 4 et qui relie le collecteur d'admission 3 à la tubulure de raccordement 4 en un point situé en aval dans le sens d'arrivée d'air d'admission du clapet anti-retour 9. Dans cette tubulure de dérivation 10 est logée une soupape 11 dont l'ouverture réglable est commandée par exemple par la pression de suralimentation. Avant de décrire en détail le procédé conforme à l'invention, on va se reporter à la figure 7, où on a représenté pour des charges élevées : en traits tiretés un cycle Diesel clasique, en traits mixtes un cycle connu sous le nom de cycle de "Miller" développé pour les moteurs à gaz, et en traits forts un cycle Diesel conforme à l'invention. Ce cycle de Miller, développé pour les moteurs à gaz, se caractérise par une avance à la fermeture de la soupape d'admission qui est variable suivant la charge du moteur par asservissement de l'instant de fermeture de la soupape d'admission à la pression de suralimentation ou à la valeur de la charge du moteur. Plus celle-ci est élevée, plus on avance l'instant de fermeture de la soupape (1' instant de fermeture pouvant se situer au maximum à 60 avant le point mort bas du piston). Dans l'exemple représenté, cas d'une charge élevée , l'instant de fermeture de la soupape d'admission est indiqué par le point A. Etant donné que la soupape d'admission est fermée avant le point mort bas (PMB) du piston, une détente de l'air d'admission contenu dans le cylindre a lieu pendant la dernière partie de la course descendante du piston (partie AB du cycle Miller). Cette détente provoquée par une augmentation du volume d'admission pour une meme masse de gaz a essentiellement pour avantage de diminuer la température des gaz en fin de compression par rapport à un moteur classique. Cela ressort de la figure 8, où on a représenté les courbes des températures de compression pour les trois cycles étudiés, la courbe D1 (en traits tiretés) représentant les températures de compression d'un cycle Diesel classique, la courbe D2 (en traits mixtes) celles du cycle de Miller, et la courbe D; (en traits forts) celles du cycle conforme à l'invention. Cependant en contre-partie de cette avance de la fermeture de la soupape d'admission avant le point mort bas du piston, il est nécessaire d'avoir un certain accroissement de la pression de suralimentation. Cela se traduit par une courbe d'admission (a') située au-dessus de la courbe d'admission (a) d'un moteur classique. Aux faibles charges, on diminue, dans le système de Miller, l'avance à la fermeture d'admission pour pouvoir utiliser toute la course de compression, alors qu'aux charges élevées, on a une course de compression effective diminuée, ce qui nécessite que l'instant de fermeture de la soupape d'admission soit asservi à la valeur de la charge. On a représenté également dans le cas de charges élevées,sur la figure 7, le cycle du moteur conforme à l'invention (en traits forts), les phases de compression et de détente correspondant sensiblement à celles du cycle classique, alors que la phase d'échap- pement (et) correspond sensiblement à celle du cycle de Millier. Selon ltinvention, on cherche à garder les avantages du cycle de Miller tout en permettant d'assurer le balayage des cylindres notamment aux faibles charges. En se reportant à nouveau à la figure 7, on remarque que la différence entre le cycle de Miller et celui de l'invention réside principalement dans le fait que la soupape d'admission se ferme après le point mort bas du piston (au point A' de la courbe, point qui est sensiblement symétrique du point A du cycle de Miller par rapport au point mort bas). En d'autres termes, au lieu d'avoir une avance de la fermeture d'admission, on a au contraire un retard à la fermeture. Dans ces conditions, et lorsque la dérivation est ouverte, on diminue également le volume d'admission ainsi que la température des gaz en fin de compression par rapport au cycle Diesel classique, avec une phase de compression effective écourtée. Notamment aux faibles charges, la dérivation étant fermée, toute la course de compression est utilisée comme dans le cas du cycle de "Miller", mais avec en plus suppression de tout phénomène de contre-balayage, un balayage efficace des cylindres étant réalisé, comme cela est démontré ci-après en se référant aux figures 1 à 6. Sur la figure 1, on a représenté le cylindre 1 en cours d' admission, avec la soupape d'admission 5 ouverte et la soupape d'échappement 8 fermée. En supposant que le moteur fonctionne à faible charge, la soupape Il et en position de fermeture, c'està-dire que l'air d'admission penètre librement dans le cylindre par la tubulure de raccordement 4 d'une façon classique. Sur la figure 2, on a représenté une position du piston pendant son mouvement ascendant, mais avant l'instant de fermeture de la soupape d'admission. Dans ces conditions, l'air d'admission tend à être refoulé vers le collecteur d'admission 3, mais il en est empêché par le clapet anti-retour 9. Sur la figure 3, on a représenté la position du piston 2 à l'instant où se ferme la soupape d'admission, instant qui correspond sensiblement à un rétard à la fermeture par exemple de plus de 500. Ainsi, pendant la course (x) du piston 2 entre les positions représentées sur les figures 1 et 3, une certaine quantité d'air d'admission a été emprisonnée dans la tubulure de raccordement 4 et a été comprimée par le piston 2 pendant sa course entre son point mort bas et le point qu'il a atteint lorsque soupape d'admission se ferme. Sur la figure 4, on a représenté le piston 2 au voisinage de son point mort haut (PMH) vers la fin de la phase d'échappement, les phases de fin de compression et de détente se déroulant d'une façon connue en soi. Etant donné que lton a un retard à la fermeture de la soupape d'échappement 8 et une avance à l'ouverture de la soupape d'admission 5, il y aura une période où les deux soupapes seront simultanément ouvertes. Par conséquent, le gaz comprimé, emprisonné dans la tubulure d'admission 4, se détendra et balayera le cylindre. Ce balayage va donc chasser les gaz d'échappement chauds résiduels et refroidir la soupape d'échappement. Ensuite, le cycle recommence d'une façon identique. Dans b cas où le moteur fonctionne à charge élevée, la tubulure de dérivation 10 jouera un rôle important. En effet, il est nécessaire, afin de limiter la température en fin de compression comme dans le système de Miller, de prévoir une fuite par l'intermédiaire de la tubulure de dérivation 10. Sur la figure 5, on a représenté une position du piston correspondant à celle de la figure 1, mais, dans ce cas, l'air d'admission pénètre dans le cylindre à la fois par la tubulure de raccordement 4 et par la tubulure de dérivation 10. Suri figure 6, on a représenté le piston dans ureposition correspondant à celle de la figure 2, pendant le mouvement ascendant du piston avant que la soupape d'admission soit fermée et, dans ce cas, on a un refoulement de l'air d'admission sans formation de réserve d'air sous pression. Précédemment, on a décrit principalement le fonctionnement du dispositif pour les deux conditions extrêmes correspondant aux faibles charges (soupape 11 fermée) et aux charges élevées (soupape Il ouverte), mais bien évidemment pour des charges intermédiaires, la soupape Il sera plus ou moins ouverte, ce qui permet de régler la pression à l'intérieur de la tubulure de raccordement 4. En se reportant à nouveau à la figure 7, la partie B' A' du cycle conforme à l'invention correspondant, dans le cas de charges élevées,à la course du piston entre son point mort bas et la fermeture de la soupape d'admission, se présente approximativement sous la forme d'un palier et correspond aux effets produits par le retard à la fermeture de la soupape d'admission, l'effet du clapet anti-retour étant annulé par la fuite dans la tubulure de dérivation ouverte. Ainsi, grace à la réserve de gaz emmagasinée dans la tubulure de raccordement au collecteur d'admission à la fin de la phase d'admission, on effectue, par la détente de ce gaz comprimé au début de la phase de balayage du cycle suivant, le balayage du cylindre notamment aux charges faibles, et grace à la tubulure de dérivation, on garde les avantages du cycle de Miller, c'est-à-dire que l'on obtient une diminution de la température des gaz d'échappement en fin de compression, notamment aux charges élevées. Dans l'exemple représenté, on a situe le clapet anti-retour 9 à proximité immédiate du raccordement de la tubulure 4 avec B collecteur d'admission. Bien évidemment, sa position peut être plus ou moins rapprochée de la soupape d'admission, ce qui permet de fixer par construction le volume de la réserve de gaz à toute valeur prédéterminée désirée. Mais quelle que soit sa position, le phénomène du contre-balayage notamment aux charges faibles est toujours éliminé. Les avantages indiqués relatifs au balayage, procurés par l'utilisation du clapet, existent également dans le cas d'un moteur non suralimenté. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour améliorer le rendement d'un moteur à combustion interne tel qu'un moteur Diesel, en assurant un balayage efficace des cylindres notamment aux bas régimes du moteur, caractérisé en ce qu'il consiste à constituer, pour chaque cylindre et pour chaque cycle de fonctionnement, une réserve d'air comprimé, pendant la phase d'admission, avec l'air d'admission et à le comprimer en retardant la fermeture de la soupape d'admission notablement au-delà des valeurs habituelles, par exemple, de plus de 500 d'angle de rotation de l'arbre-vilebrequin. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ciqu' il consiste à balayer chaque cylindre précité par la détente de l'air comprimé précité au début de la phase de balayage du cycle suivant. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à constituer la réserve de gaz comprimé précitée dans le conduit de raccordement du cylindre au collecteur d'admission associé. 4.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à créer une fuite de dérivation contournant le volume de confinement de la réserve de gaz comprimée précité en direction du collecteur d'admission, pour diminuer la température des gaz en fin de compression, de préférence aux charges élevées. 5.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un clapet anti-retour logé dans le conduit d'admission, soit dans la culasse soit dans la tubulure de raccordement du collecteur d'admission à la culasse, la réserve de gaz précitée étant délimitée entre la soupape d'admission et ledit clapet. 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend également au moins une tubulure de dérivation montée entre le collecteur d'admission et la tubulure de raccordement associée et débouchant dans celle-ci en un point situé en aval du clapet précité, ladite tubulure de dérivation comprenant une soupape dont le degré d'ouverture est asservi par exemple à la pression de suralimentation. 7.- Moteur à combustion interne tel qu'un moteur Diesel en particulier suralimenté, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif tel que défini selon la revendication 5 au 6.