Brevet FR2440471A1 — publié le 19800530

La présente invention a trait à des moteurs à combustion interne à allumage par compression et plus particulièrement à un tel moteur réalisé pour obtenir de faibles émissions de NOx et d'hydrocarbures. Un effort important a été déployé ces dernières années pour tenter de réaliser des moteurs à combustion interne de véhicules avec des niveaux d'émission de NOx et d'hydrocarbures beaucoup plus faibles qu'ils ne sont présentement possibles. Cet effort a été dicté en grande partie par les normes du Gouvernement des Etats-Unis imposant des niveaux de ces émissions décroissant annuellement pour les prochaines années associées à la menace d'amendes et d'autres sanctions si les constructuers d'automobiles ne respectent pas les normes prescrites. Bien que ces tentatives aient pris de nombreuses formes, et qu'une attention particulière ait été portée aux moteurs à allumage par compression ou moteurs diesel, aucun n' a à ce jour constaté le rapport entre les niveaux d'émission de NOx et le volume d'une chambre de précombustion par rapport au volume de la chambre de combustion totale au point mort haut du piston dans de tels moteurs. En effet, l'art antérieur enseigne que le volume d'une chambre de précombustion ne doit pas excéder 50% du volume de la chambre de combustion totale pour obtenir un moteur rentable. Un travail effectué récemment indique également que le retard du début de l'injection de carburant dans des moteurs à allumage par compression par rapport aux normes actuellement acceptables réduit efficacement les émissions de NOx La difficulté rencontrée, cependant, avec des moteurs équipés pour différer le début de l'injection de carburant a été un raté d'allumage et un accroissement d'émission d'hydrocarbures à faible charge.Personne n'a suggéré que des taux de compression élevés à charges faibles et qu'un organe d'injection de carburant qui retarde de fa çon variable le début d'injection de carburant selon la vitesse et/ou la charge du moteur surmontera ce problème de raté d'allumage et réduira efficacement les émissions d'hydrocarbure même à faible charge tout en produisant simultanément de faibles niveaux d'émissions de NOx accompagnant normalement une injection de carburant différée. Les moteurs à taux de compression variable (VCR) sont, bien entendu, encore nouveaux. Ce sont des moteurs dans lesquels le taux de compression est modifié pour maintenir une pression de chambre de combustion maximale prédéterminée. De tels moteurs fournissent des taux de compression relativement élevés aux charges faibles pour améliorer les caractéristiques de démarrage et de fonctionnement. Les demandeurs ont participé activement au développement de tels moteurs. Cependant, il n'existe pas de moteurs antérieurs du type selon lequel une chambre de précombustion est dimensionnée pour représenter plus de 50% du volume de la chambre de combustion totale aux faibles charges. La présente invention concerne un moteur à combustion interne à allumage par compression possédant un cylindre avec un piston allant et venant et une chambre de combustion principale au-dessus du piston. Une chambre de précombustion communique avec la chambre de combustion principale. Le volume de la chambre de précombustion est compris entre 70% et 85% du volume combiné de la chambre de précombustion et de la chambre de combustion principale au point mort haut (TDC) du piston. En outre, le moteur est de préférence équipé d'organes d'injection de carburant pour délivrer du carburant à la chambre de précombustion et ainsi à la chambre de combustion principale. Le début de l'injection de carburant est différé sensiblement de la normale d'environ un angle de manivelle de 100 avant le point mort haut, dans une plage comprise entre un angle de manivelle de 50 avant le point mort haut à un angle de manivelle de 200 après ce point. I1 a été constitué que ces caractéristiques réduisent sensiblement les émissions de NOx Dans un mode de réalisation de la présente invention, un moteur à taux de compression variable est utilisé de sorte que des taux de compression de 24-1 à 30-1 peuvent être maintenus dans la plage inférieure et moyenne de fonctionnement du moteur. Ces taux de compression relativement élevés réduisent efficacement les émissions d'hydrocarbures et le véhicule est utilisé en majeure partie dans la plage inférieure et moyenne de fonctionnement du moteur. C'est la plage dans laquelle s'effectue la majeure partie de la conduite urbaine et ce type de conduite est la source majeure de problèmes de pollution. Un organe de compression tel qu'un turbocompresseur est prévu pour maintenir une pression élevée dans la tubulure d'admission qui est nécessaire pour faire fonctionner de tels moteurs durant leur cycle de compression élevée. Des organes sont également de préférence prévus pour recycler les gaz d'échappement dans la tubulure d'admission au moins aux faibles charges pour contribuer à la réduction d'émissions d'hydrocarbure dans cette plage de fonctionnement du moteur. La présente invention sera mieux appréciée en se référant aux dessins annexés sur lesquels des numéros de référence identiques désignent des éléments analogues sur les différentes vues. La Fig. 1 est une coupe partielle d'un mode de réalisation d'un moteur à combustion interne réalisé selon les caractéristiques de la présente invention et représentant son utilisation dans un moteur à taux de compression variable. La Fig. 2 est une coupe partielle similaire au mode de réalisation de la Fig. 1, mais représentant un autre mode de réalisation préféré de la présente invention. La Fig. 3 est un graphique représentant le réglage de l'injection de moteurs à compression à chambre de précombustion classiques et le réglage variable de l'injection des moteurs de la prés ente invention. La Fig. 4 est une vue représentant schématiquement les différents constituants d'un moteur préféré. On se réfère à présent aux figures en vue d'une description plus détaillée de la présente invention. La Fig. 1 représente un moteur à combustion interne 10 comportant une tête de cylindre 12 et un cylindre 14 fermé à son extrémité supérieure par la tête 12 pour délimiter une chambre de combustion principale 16. Bien que seule la soupape d'admission 18 soit représentée; il faut comprendre que le moteur 10 est équipé de soupapes d'échappement actionnées par un bras basculant (non représenté) qui fonctionnent de la manière classique. La tête de cylindre 12 est en outre équipée d'une chambre de précombustion 20 qui sensiblement sphérique et qui débouche dans la chambre de combustion principale 16 par un passage 22. Un gicleur de carburant 24 est porté dans la tête de cylindre 12 et est agencée pour injecter du carburant dans la chambre de précombustion 20. Le gicleur 24 est positionné de manière à s'associer au contour sphérique de la chambre de précombustion 20 pour imprimer un tourbillon au mélange d'air-carburant pour donner un mélange presque homogène. Ceci n'est, bien entendu, pas nouveau et est bien connu dans la technique. Sur la Fig. 1, un piston 28 à taux de compression variable (VCR) est monté en vue d'un mouvement alternatif dans le cylindre 14 et est constitué de deux parties principales; une jupe 30 et un support 32 de tourillon du piston. Le support 32 est articulé au vilebrequin (non représenté) du moteur à combustion interne 10 par une bielle 34 et un tourillon 36. Ainsi qu il est classique dans des moteurs à taux de compression variable de ce type, le support 32 se déplace entre des limites supérieure et inférieure fixes, tandis que la jupe 30, reçue télescopiquement sur le support 32, est libre de se déplacer à l'intérieur de certaines limites pour assurer une hauteur variable depuis le centre dru tourillon 36 jusqu'au sommet de la jupe 30. Cette hauteur variable assure une variation du taux de compression du moteur ainsi qu'il est bien connu dans ce type de moteur à taux de compression variable. Un système hydraulique 38 est prévu pour assurer que la jupe 30 sera dans sa position déployée extrême durant un fonctionnement initial et à faible charge et qu'elle se déplacera dans une position assurant un taux de compression faible lors du fonctionne- ment du moteur à des charges plus élevées. Ce système est à présent classique et a été amplement décrit dans des brevets antérieurs, tels que les brevets américains N" 3.403.662; 3.418.982; 3.450.111 et 3.417.739, ainsi que dcautres et, par conséquent, n'a pas besoin d'être décrit en détail dans le présent mémoire. Le moteur à taux de compression variable représenté sur la Fig. 1 est prévu pour fonctionner avec des taux de compression compris entre 24-1 et 30-1, au moins durant le fonctionnement à charge faible et moyenne du moteur. La chambre de précombustion 20 est de volume relativement élevé par rapport au volume de la chambre de combustion principale 16 au point mort du piston pour assurer un rapport air-carburant relativement élevé dans la chambre de précombustion 20 dans la partie supérieure de la course de compression du piston 28. Les taux de compression relativement élevés assurent que le mélange air-carburant dans la chambre de pré combustion s'enflammera durant la course de compression. Pour assurer le rapport air-carburant élevé désiré dans la chambre de précombustion 20, le rapport du volume de la chambre de précombustion est de préférence compris entre 70% et 85% du volume combiné de la chambre de précombustion 20 et de la chambre de combustion principale 16 au point mort du piston 28. La Fig. 2 représente un autre mode de réalisation préféré de l'invention qui comporte un moteur à combustion interne 110 possédant une tête de cylindre 112 avec une chambre de précombustion 120 de forme sensiblement sphérique et un piston classique 128 articulé au vilebrequin (non représenté) du moteur 110 par une bielle 134 et un tourillon 136. Dans ce type de moteur, le piston 128 se déplace entre des limites fixes à l'intérieur d'un cylindre 114 de sorte que la chambre de combustion 116 possède un volume constant au point mort haut du piston 128 sur toutes les plages de fonctionnement du moteur. Une soupape d'admission 118 et des organes d'échappement classiques (non représentés) sont prévus. La chambre de précombustion 120 débouche dans la chambre de combustion principale 116 par l'intermédiaire d'un passage 122 et un gicleur 124 d'injection de carburant est monté dans la tête de cylindre 112 pour injecter du carburant dans la chambre de précombustion 120. Le moteur 110, comme le moteur 10, est un moteur à allumage par compression. également, comme dans le moteur 10, des taux de compression élevés sont maintenus dans le moteur 110, de préférence dans la plage comprise entre 24-1 et 30-1. A la différence du moteur 10, cependant, le taux de compression une fois établi dans la réalisation du moteur 110 sera maintenu sur toute sa plage de fonctionnement0 Egalement comme dans le moteur 10, le volume de la chambre de précombustion 120 est compris entre 75% et 80% du volume combiné de la chambre de précombustion 120 et de la chambre de combustion principale 116 au point mort haut du piston 128. I1 a été constaté que la combinaison de taux de compression relativement élevé et du volume relativement élevé de la chambre de précombustion par rapport au volume de la chambre de combustion principale au point mort haut du piston fournit un mo teur dans lequel les émissions de NOx et d'hydrocarbures sont sensiblement réduites. Les niveaux d'émission de NOx particulièrement difficiles à réduire. Le but qui a été fixé pour le programme particulier ERDA (Energy Research Development Administration) dont découle la présente invention est par exemple 4 grammes par 1.609 mètres. Ce but n'a pas pu être atteint avec des moteurs de conception classique.Le demandeur a pu obtenir avec la présente conception un taux d'émission de 1,73005 grammes de NOx par 1.609 mètres en conduite urbaine et 1,58333 grammes de NOx par 1.609 mètres en conduite sur route. Ces résultats significatifs sont attribués en majeure partie taux de compression élevés et plus particulièrement au volume relativement grand de la chambre de précombustion. Les Figs. 3 et 4 représentent schématiquement et graphiquement deux autres modifications qui contribuent à la réduction du niveau d'émissions de NOx et d'hydrocarbures. Sur la Fig .4, le moteur 10 est représenté schématiquement comme comportant un compresseur 50, dont la partie compresseur 52 délivre de l'air comprimé à la canalisation d'admission 54 du moteur 10. Le moteur 10 est équipé d'un système d'échappement représenté par la flèche 56 et une canalisation 58 relie le système d'échappement 56 à la canalisation d'admission 54 pour recycler au moins une partie des gaz d'échappement du moteur. Une liaison directe est seulement nécessaire pour obtenir un recyclage des gaz d'échappement du fait que durant des charges allant jusqu'à environ 40% du maximum, une contre-pression d'échappement excède la pression d'air d'admission et ainsi les gaz d'échappement s'écoulent dans la canalisation d'admission 54.Aux charges du moteur au-dessus d'environ 40%, la pression d'admission sera supérieure à la pression d'échappement et par conséquent aucun recyclage des gaz d'échappement ne se produira. Le controle de l'é- mission est plus crucial dans des conditions de charge partielle des moteurs et ainsi le procédé décrit de recyclage des gaz d'échappement procure un moyen simplifié mais efficace pour favoriser le contrôle du niveau d' émissions, en particulier à des nive ux de charge faible et moyenne. Puisque les gaz d'échappement ne sont pas recyclés à travers le compresseur, il n'existe pas de problèmes d'usure des parties du compresseur comme il s'en produit ordinairement dans de tels systèmes. Les Figs 3 et 4 représentent également la différence entre le réglage du début de l'injection de carburant à partir de l'injecteur 24 dans les présents systèmes en comparaison de systèmes antérieurs. La droite en pointillés A représente le début de l'injection de carburant dans des moteurs à allumage par compression de l'art antérieur. Comme représenté sur le graphique de la Fig. 3, un tel allumage du carburant est classiquement débuté à environ un angle de manivelle de 100 avant le point mort haut du piston durant la course de compression du moteur.Dans le présent moteur, l'injection du carburant est sensiblement retardée et est de préférence commencée dans la plage comprise entre un angle de manivelle de 50 avant le point mort haut jusqu'à un angle de manivelle de 200 après ce point. Ge retard important du début de l'injection de carburant contribue significativement à la réduction du niveau d'émissions de NO Les taux de compression élevés du moteur de la présente invention permettent un retard important de l'allumage sans provoquer de ratés d'all age et une augmentation d'émissions d 'hydrocarbures. De préférence, comme indiqué par la droite en pointillés B sur la Fig. 3, le retard est variable avec la charge du moteur, bien qu'il faille comprendre qu'un retard en fonction d'accroissements de la vitesse du moteur soit également satisfaisant. Pour accomplir ceci, un organe d'injection de carburant 50 (Fig. 4) est prévu, possédant des organes 62 détectant la vitesse ou la charge du moteur, de sorte que Ie début de l'injection du carburant est modifié en fonction de la charge ou de la vitesse du moteur de la manière représentée graphiquement sur la Fig. 3. I1 est évident que la présente invention fournit un moteur dans lequel des réductions importantes du niveau d'émissions de gaz brûlés ont été obtenues. Ces réductions sont particulièrement importantes en ce qui concerne les niveaux de NOx du fait que jusqu'ici, ces émissions ont été les plus difficiles à maîtriser. La relation entre le volume de la chambre de précombustion et le volume de la chambre de combustion principale apporte la plus grande contribution à la réduction de N0x. Les taux de compression, le recyclage des gaz d'échappement et le retard de l'injection de carburant contribuent aux réductions d'émissions de NOx et d'hydrocarbures. Bien qu'll soit préférable que la présente invention soit mise en oeuvre dans un moteur à taux de compression variable, du fait que des taux de compression plus élevés peuvent être obtenus pour des charges faibles et moyennes qu'avec des moteurs ordinaires, il ressort de la description en regard de la Fig. 2 que la présente invention peut également être appliquée à des moteurs à allumage par compression classiques avec des résultats significatifs. I1 est également évident que bien que plusieurs modes de réalisation de la présente invention aient été décrits, de nombreux changements et modifications peuvent y être apportés sans sortir du cadre de la présente invention ou de la portée des revendications annexées. REVENDICATIONS 1) Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte un cylindre et un piston mobile dans ledit cylindre, ledit piston étant déplaçable vers une position de point mort haut, une chambre de combustion principale formée en partie par ledit piston, et possédant un volume qui est minimal lorsque ledit piston se trouve audit point mort haut, une chambre de précombustion débouchant dans ladite chambre de combustion principale, des organes pour introduire de l'air dans ladite chambre principale et du carburant dans ladite chambre de précombustion de telle sorte que ledit air soit dirigé dans ladite chambre de précombustion pour brûler avec ledit carburant pour ainsi assurer une inflammation du carburant et de l'air dans ladite chambre de combustion principale et le volume de ladite chambre de précombustion étant compris entre 70% et 85% du volume combiné de ladite chambre de précombustion et de ladite chambre de combustion principale lorsque le piston se trouve au point mort haut. 2) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que son taux de compression est compris entre 24-1 et 30-1. 3) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens déclenchant l'injection de carburant dans ladite chambre de précombustion dans la plage comprise entre un angle de manivelle de 50 dudit piston avant ledit point mort haut à un angle de manivelle de 200 après le point mort haut. 4) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il possède une tubulure d'admission reliée à ladite chambre de combustion principale et comprenant des moyens pour comprimer l'air délivré à ladite admission. 5) Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est équipé de moyens pour faire échapper les gaz de ladite chambre de combustion principale et comprenant des moyens reliant lesdits organes d'échappement auxdits organes de compression de façon qu'au moins une partie des gaz d'échappement soit recyclée jusqu'à l'admission dudit moteur. 6) Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit compresseur comporte un orifice de sortie débouchant dans ladite admission dudit moteur et en ce que lesdits organes de liaison sont reliés directement audit orifice de sortie du compresseur. 7) Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits organes de liaison sont actionnables pour diriger les gaz d'échappement vers ledit compresseur uniquement sur une partie de la plage de fonctionnement dudit moteur. 8) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des organes détectant la charge du moteur et des organes déclenchant l'injection du carburant en fonction de ladite charge. 9) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour modifier automatiquement le taux de compression du moteur depuis un taux de compression maximal pour des conditions de charge faible dudit moteur jusqu'à un taux de compression minimal pour des conditions de charge élevée dudit moteur.