Brevet FR2489883A1 — publié le 19820312

La présente invention est relative à un moteur à combustion interne du type a' quatre temps qui permet une réduction notable de la teneur des gaz d'échappement en composants nuisibles, en particulier en oxydes d'azote, et une amélioration de l'économie en combustible sans diminuer le rendement du moteur même avec un recyclage très important des gaz d'échappement. Avec l'application récente de mesures sévères pour la purification des gaz d'échappement des automobiles, une réduction importante du volume d' oxydes d' azote libérés dans l'atmosphère par les véhicules automobiles, en fonctionnement sous charge faible et moyenne, est exigée. La diminution des oxydes d'azote peut être obtenue suivant deux procédés : le procédé dit de pré-traitement, dans lequel le mélange combustible est brûlé de telle sorte que a proportion des oxydes d'azote libérés dans l'atmosphè re peut être diminuée, et le post-traitement, suivant lequel les oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement sont rendus inoffensifs en utilisant un catalyseur de réduction, etc. I1 est de pratique courante dans le procédé dit de post-traitement utiliser un catalyseur ternaire (qui présente des fonctions à la fois oxydantes et réductrices) pour réduire la teneur en HC et C0 également. Dans ce cas, cependant, les frais sont très élevés du fait qu'il est nécessaire d'utiliser un capteur d'O2 pour détecter la teneur en oxygene des gaz d'échappement, et un générateur de mélange combustible à commande électronique pour obtenir un rapport air-combustible extrêmement précis. Dans le cas du pré-traitement, il est de pratique courante de recycler les gaz d'échappement dans le but de réduire les oxydes d'azote et d'engendrer en même temps un tourbillon dans le mélange combustible dans la chambre de combustion, afin d'augmenter la vitesse de propagation de la combustion de façon que le rendement du moteur ne diminue pas à la suite du recyclage des gaz d'échappement. Cependant, dans ce procédé, le tourbillon engendré ncest pas suffisamment' puissant et, en conséquence, le taux de recyclage des gaz d'échappement (le poids-de gaz d'échap pement par rapport au poids total des gaz admis) reste au plus de 10 %. I1 a été ainsi impossible au moyen du seul recyclage des gaz d'échappement de réduire le volume des oxydes d'azote jusqu'au niveau imposé par les dernières règles. Pour cette raison, dans la pratique courante, en plus du recyclage des gaz d'échappement, on avance l'allumage avant le point mort haut, et on distribue un mélange combustible ayant une concentration plus élevée que le rapport théorique air-combustible, et il en résulte une mauvaise économie de combustible. Le but principal de l'invention est de réaliser un moteur à combustion interne qui permette un recyclage des gaz d'échappement plus important qu'habituellement sans nuire au rendement du moteur, permettant ainsi au moyen du seul recyclage des gaz d'échappement de diminuer de façon notable la production d'oxydes d'azote, ctest-à-dire le volume d'oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement. L'invention a encore pour but de réaliser un moteur à combustion interne permettant de réduire la teneur en HC, CO et NOx des gaz d'échappement jusqu'à une valeur suffisamment faible. L'invention a encore pour but de réaliser un moteur à combustion interne permettant d'atteindre les deux buts précités- avec une construction relativement simple et peu coû- teuse, et permettant d'abaisser la consommation de combustible. Suivant l'invention, on engendre dans la chambre de combustion un tourbillon dans le mélange combustible, en fonction de l'orientation donnée au mélange distribué par le dispositif d'admission principal relié au carburateur, et il est prévu un dispositif d'admission secondaire ayant une section efficace inférieure à celle du dispositif d'admission prince pal, une injection de gaz dans la chambre de combustion en provenance de ce dispositif d'admission secondaire augmentant encore la force du tourbillon du mélange de gaz provenant du dispositif d'admission principal.La génération d'un tourbillon aussi puissant permet un taux de recyclage des gaz d'échappement extrêmement important, c'est-à-dire que le taux de recyclage des gaz d'échappement peut etre élevé jusqu'à 10 70 à 25 SQ supprimant ainsi à peu près totalement par lui-même la production d'oxydes d'azote. De plus, les HC et CO peuvent être oxydés (et rendus inoffensifs) par un catalyseur oxydant et de l'air secondaire prévus dans le dispositif d'échappement. La caractéristique principale du moteur suivant l'in~ vention consiste en ce qu'un agencement relativement simple est suffisant pour diminuer de façon appropriée la teneur en éléments nuisibles des gaz d'échappement. Ceci provient du fait que l'on peut utiliser dans ce but ùn carburateur classique tel quel. Un avantage considérable de l'invention est également qu'elle est applicable à des moteurs de cylindrée relativement faible aussi bien qutà des moteurs de cylindrée relativement importante. De plus, l'invention ne nécessite aucun réglage de l'avance à l'allumage en raison du recyclage des gaz dréchappement et aucune alimentation en un mélange de combustible plus riche, de sorte que l'économie de combus tibe peut etre améliorée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en se référant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels * - la Fig. 1 est un schéma d'un mode de réalisation d'un moteur suivant l'invention - la Fig. 2 est une vue partielle en coupe longitudinale de l'objet de la Fig. 1 - la Fig. 3 est une vue en section transversale de l'objet de la Fig. 2 - la Fig. 4 est un schéma d'un autre mode de réalisation de l'invention - la Fig. 5 est une vue partielle en coupe d'une partie d'un autre mode encore de réalisation de l'invention. On a représenté aux Fig. 1 et 2 un moteur à combus tbn interne à quatre temps désigné dans son ensemble par la référence 1 et comportant quatre cylindres en ligne, chaque élément de ce moteur comprenant, comme pour les moteurs classiques, un cylindre 2, une culasse 3 et un piston 4. Dans chacune des quatre chambres de combustion 5 délimitées par ces parties du moteur débouchent un orifice d'admission 6 et un orifice d'échappement 7 formés chacun dans la culasse 3. Les orifices 6 et 7 sont respectivement ouverts ou fermes au moyen d'une soupape d'admission 8 et d'une soupape d'échappement non représentée. Le fonctionnement de la soupape d'ad mission 8 est commandé par un mécanisme de commande comprenant une came 9 et un culbuteur 10, et celui de la soupape d'échappement est commandé par un mécanisme analogue non représenté. L'orifice d'admission 6 est relié à un collecteur d'admission 11, tandis que l'orifice d'échappement 7 est relié à un collecteur d'échappement 12. Au point auquel il se divise, le collecteur d'admission 11 est relié à un carburateur 13. L'orifice d'admission 6 et le collecteur d'admission 11 complètent un trajet ou dispositif d'admission principal s'étendant du carburateur 13 à la chambre de combustion 5. Comme représenté à la Fig. 3, l'orifice d'admission 6 est dirigé à peu près tangentiellement à la paroi de la chambre de combustion 5 (paroi du cylindre 2), de telle sorte que le mélange combustible distribué par cet orifice engendre un tourbillon autour de l'axe du cylindre 2 à l'intérieur de la chambre 5. Le tourbillon est formé de façon à passer devant une bougie 15 d'allumage par étincelles et à se déplacer ensuite vers l'orifice d'échappement 7. On remarquera que l'orifice d'admission 6 n'est pas réalisé de façon à présenter une orien tation extrême de crainte que son efficacité volumétrique ne diminue dans des conditions de charge élevée. Chacune des chambres de combustion S est alimentée (pendant la course dtaspiration) avec un gaz provenant d'un trajet ou dispositif d'admission secondaire 14, ainsi qu'avec un mélange gazeux provenant du trajet d'admission principal. Le dispositif d'admission secondaire 14 est constitué par quatre conduits 14a, ctest-à-dire en nombre correspondant au nombre des cylindres, et par une tubulure 14b de diamètre plus grand vers laquelle convergent tous les conduits 14a la section efficace du dispositif secondaire est suffisamment plus petite que celle du dispositif d'admission principal. L'extrémité de chaque conduit 14a, c'est-à-dire l'orifice de sortie du dispositif d'admission secondaire 14, se termine, comme indiqué à la Fig.2, par un gicleur 14c de faible diamètre qui débouche juste en amont de la soupape d'admission 8, en étant orienté, comme indiqué à la Fig .3, tangentiellement vers la chambre de combustion 5 (c(est-à-dire tangentiellement vers la paroi de la chambre 5, ou paroi interne du cylindre 2). De ce fait, lorsque le gaz est injecté (aspiré) dans la chambre de combustion 5 par l'intermédiaire du gicleur 14c, un tourbillon est engendré dans cette chambre mais ce tourbillon tourne dans le même sens que le mélange de gaz provenant du dispositif d'admission principal. L'extrémité du dispositif d'admission secondaire 14, ctest-à-dire l'extrémité de la tubulure 14b débouche dans l'atmosphère par l'intermédiaire d'un filtre à air 16. La tubulure 14b est reliée à une soupape de commande 17 afin de commander le volume de gaz distribué par le dispositif d'admission secondaire. Cette soupape de commande 17 sert au moins à diminuer la section efficace du dispositif d'admission secondaire 14 dans des conditions de fonctionnement au ralenti. Cette soupape de commande peut par exemple être constituée comme une soupape reliée mécaniquement au papillon des gaz (non représenté à la Fig. 1) du carburateur 13, ou encore peut être agencée pour être actionnée par la dépression régnant dans le dispositif d'admission principal. Un dispositif d'échappement s'étendant à partir de l'orifice d'échappement 7, par l'-intermédiaire du collecteur 12 d'échappement, jusqu'au silencieux 18 comporte un conduit 19 d'admission d'air secondaire qui est relié au collecteur 12, et il contient un catalyseur oxydant 20 situé en aval de l'orifice 19a d'admission d'air secondaire. Un dispositif 21 d'alimentation en air secondaire est relié au conduit 19 d'admission d'air secondaire ; il peut être constitué par une soupape à lame adaptée pour être actionnée par la pression pulsatoire des gaz d'échappement, de la même façon que dans le dispositif classique, ou encore ce dispositif 21 peut être constitué par une pompe d'alimentation en air secondaire.Un conduit 22 de recyclage des gaz d'échappement constitue une dérivation du dispositif d'échappement à mi-distance entre l'o- rifice 19a et le catalyseur 20, l'extrémité du conduit 22 étant reliée à la jonction du collecteur d'admission 11 en aval du.carburateur 13. Une soupape 23 de recyclage des gaz d'échappement constituant un régulateur de recyclage pour régler le taux de recyclage des gaz. d'échappement est reliée au conduit 22. Le catalyseur oxydant 20 peut être le même que celui utilisé de façon classique, et la soupape 23 peut être la même que celle utilisée de façon classique, par exemple une soupape à dépression pouvant être commandée par la dépression régnant dans le conduit d'admission. A la Fig. 1, la référence 24 désigne un orifice de sortie des gaz d'échappement. On décrira ci-dessous le fonctionnement de ltagencement décrit plus haut, pour différentes conditions de charge du moteur. (1) Fonctionnement du moteur sous cha-rge~àible et moyenne. Cette plage de fonctionnement est la plage "normale" de fonctionnement ; dans cette plage, l'ouverture du papillon des gaz 25 (Fig.4 -non représenté a' la, Fig. l)du carburateur 13 est relativement faible, tandis que l'ouverture de la soupape 23 de recyclage des gaz d'échappement est assez grande et que l'ouverture de la soupape de commande 17 du dispositif d'admission secondaire est également grande. Dans ces conditions, le mélange combustible formé dans le carburateur 13 et les gaz d'échappement provenant du conduit 22 passent, par le dispositif principal d'admission, dans la chambre de combustion 5, tandis que l'air provenant du dispositif d'admission secondaire 14 est distribué séparément à la chambre de combustion 5. Ainsi, le tourbillonnement du mélange combustible distribué à la chambre de combustion 5 est favorisé à la fois par l'action directionnelle de l'ori- fice d'admission 6 pour faciliter le tourbillonnement et par l'effet de l'air distribué par le dispositif d'admission secondaire 14 et, en conséquence, la combustion est accélérée en raison de l'atomisation homogénéisée du mélange combustible et d'une vitesse accrue de propagation de la combustion. En particulier, la dépression à l'admission qui est engendrée dans la chambre de combustion 5 est suffisamment grande pour qu'une différence extrêmement importante soit produite entre les deux extrémités du dispositif d'admission secondaire 14, ctest-à-dire entre le gicleur 14c et le filtre à air qui communique avec l'atmosphère. Ainsi, l'air sort du gicleur 14c avec une vitesse très élevée (presque sonique), ce qui donne au tourbillon une force bien plus grande qu'auparavant. On peut par conséquent recycler une quantité importante de gaz d'échappement sans nuire au rendement du moteur. En ce qui concerne le rapport air/combustible dans ces plages de charges, le taux de recyclage des gaz d'échappement peut etre accru jusqu'à 10 % a' 25 X pour un rapport A/C de 15 à 16 voisin du rapport théorique sans avancer l'allumage comme cela était nécessaire auparavant pour éviter le cognement produit par le recyclage des gaz d'échappement. Dans le présent exemple, le rapport A/C désigne le rapport entre le volume d'air distribué par les deux dispositifs d'admission dans la chambre de combustion 5 et le volume de combustible distribué par le dispositif d'admission principal. Pour empêcher des ratés à l'allumage, le rapport G/C, ctest-à-dire le rapport du volume total des gaz (air + échappement) distribué à la chambre de combustion au volume de combustible, est déterminé de façon à être inférieur à 21. Bien entendu, l'alimentation de la chambre de combustion 5 par les deux dispositifs d'admission doit être coordonnée avec le fonctionnement de la soupape d'admission 8. (2) Fonctionnement du moteur sous charge importante. Dans cette plage- de fonctionnement, associée à une grande ouverture du papillon des gaz du carburateur 13, la section efficace des deux dispositifs d'admission est telle que le volume d'air distribué par le dispositif diadmission secondaire 14 est relativement faible par comparajson au volume de gaz distribué par le dispositif d'admission principal. Par conséquent, 1e génération dlun tourbillon provoqué par l'écoulement en provenance du dispositif d'admission secondaire 14 devient comparativement faible. Cependant, dans ce cas, l'impossibilité d'tri recyclage important des gaz d'échappement ne pose pas de problème, du fait que le tourbillon engendré par l'action directionnelle de l'orifice d'admission 6 est extremement fort et que la diminution des oxydes d'azote n'est pas aussi importante que le développement d'une puissance de sortie suffisante dans cette plage. Dans ce cas également, un mélange de gaz ayant un rapport A/C de 15 à 16 voisin du rapport théorique est distribué à la chambre de combustion 5. (3) Fonctionnement du moteur sous charge nulle (ralenti). Dans cette plage de fonctionnement, le papillon des gaz du carburateur 13 est presque fermé, et le combustible est aspiré par l'intermédiaire du gicleur de ralenti (non re présenté) du carburateur 13. Une dépression importante à l'admission est engendrée dans la chambre de combustion 5 et, en conséquence, l'ouverture de la soupape de commande 17 du dispositif secondaire 14 est réduite afin de diminuer le volume d'air provenant de ce dispositif. Ceci est dû au fait qu'un raté d'allumage risque de se produire, compte tenu de l'excès d'air par rapport au volume de combustible distribué, si la section efficace du dispositif secondaire 14 reste importante. Dans ce cas également, compte tenu de la génération d'un tourbillon extrêmement fort, la vitesse de propagation de la combustion est augmentée et la quantité nécessaire de combustible dans le mélange gazeux est réduite, et le combustible est distribué à la chambre de combustion 5 dans le rapport A/C à peu près théorique. Ainsi, l'économie de combustible est notablement améliorée par comparaison avec un fonctionnement sous des rapports A/C d'environ 12 comme dans le dispositif classique destiné a diminuer la teneur- des gaz d'échappement en oxydes dvtazote Dans les conditions décrites plus haut, les quantités croissantes de HC et CO (en particulier de HC qui est dégagé en plus grande quantité) qui sont contenues dans les gaz d'échappement par suite d'un recyclage important des gaz d'échappement sont oxydées et rendues inoffensives en utilisant l'air secondaire et le catalyseur oxydant 20. La Fig. 4 montre un autre mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, l'extrémité d'entrée du dispositif 14 d'admission secondaire débouche dans le passage stué entre le papillon des gaz 25 et le venturi 26 du carburateur 13. Ainsi, la totalité de l'air distribué à la chambre de combustion 5 est mesurée au niveau du venturi 26 et ceci est favorable pour assurer un rapport A/C spécifié. La Fig. 5 montre encore un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel l'extrémité de la tubulure 14b du dispositif secondaire 14 est fourchue et les deux branches 14d, 14e, qui servent respectivement de trajets d'admission, débouchent dans le conduit d'écoulement du carburateur 13. La branche aval 14d est disposée dans une position telle qu'elle peut être fermée par le papillon des gaz 25 (représenté en traits pleins) lors du fonctionnement au ralenti, et ce conduit 14d débouche en amont du papillon des gaz 25 lorsque ce dernier est ouvert. La branche amont 14e débouche entre le papillon des gaz 25 et le venturi 26. Lorsque le moteur fonctionne au ralenti, la section efficace du dispositif d'admission secondaire 14 est ainsi plus faible que dans la plage de fonctionnement sous charge moyenne et faible. En effet, le conduit 14d et le papillon des gaz 25 constituent le dispositif de commande 17 pour le dispositif d'admission secondaire, ce qui simplifie le mécanisme par comparaison avec le cas d'une soupape de commande montée séparément. Bien entendu, l'air dis tribué à la chambre de combustion 5 est mesuré de façon invariable au niveau du venturi 26, ce qui est favorable pour assurer un rapport A/C donné. Dans ce mode de réalisation, l'extrémité de la tubulure 14 est fourchue, mais cet agencement n'est pas limitatif. L'extrémité du conduit 14 peut entre divisée en plus de deux branches, dont une extrémité d'entrée est située dans une position telle qu'elle peut être fermée par le papillon des gaz 25 en cours de fonctionnement au ralenti et dont les autres extrémités d'entrée sont ouvertes entre le papillon des gaz 25 et le venturi 26. On ajoutera que dans les deux Fig. 4 et 5, un mélange de gaz (combustible provenant du système principal de combustible débouchant au niveau du venturi 26 + de l'air) s'écoule dans le dispositif secondaire 14 lors du fonctionnement dans les plages de charges faibles à importantes. REVENDICATIONS 1 - Moteur à combustion interne à quatre temps adapté pour permettre un recyclage des gaz d'échappement dans la chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend : un dispositif d'admission principal (11) s'étendant du carburateur (13) jusqu'a la chambre de combustion (5) et débouchant dans cette chambre, ce dispositif d'admission principal étant conformé de façon que le mélange gazeux admis par ce dispositif puisse engendrer un tourbillon dans la chambre de combustion ; un dispositif d'admission secondaire (14) ayant une section efficace moins importante que celle du dispositif d'admission principal (11) et dont l'orifice de sortie (14c) est dirigé tangentiellement à la paroi latérale de la chambre de combustion (5), de façon que le tourbillon engendré dans le dispositif d'admission principal puisse être favorisé ; et un dispositif de commande (17, 14e, 25) adapté pour commander le volume de gaz s'écoulant dans le dispositif d'admission secondaire (14) de manière à diminuer la section efficace du dispositif d'admission secondaire au moins lors du fonctionnement au ralenti. 2 - Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz admis dans la chambre de combustion (5) est un mélange de gaz voisin du rapport théorique A/C et d'un grand volume de gaz d'échappement dépassant la limite classique du recyclage des gaz d'échappement. 3 - Moteur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un orifice (19a) d'admission d'air secondaire débouchant dans un dispositif d'échappement (12), un dispositif (21) d'alimentation en air secondaire relié à cette admission dtair secondaire, et un catalyseur oxydant (20) disposé dans le dispositif d'échappement (12) en aval de cette admission d'air secondaire. 4 - Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit (22) de recyclage des gaz d'échappement qui-relie le dispositif d'échap pement (12) à une partie du dispositif d'admission principal (11) située en aval du carburateur (13), de sorte que les gaz d'échappement sont recyclés dans la chambre de combustion (5) par l'intermédiaire du dispositif d'admission principal (11). 5 - Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (23) de commande du volume des gaz d'échappement recyclés. 6 - Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le taux de recyclage des gaz d'échappement est établi dans une plage de 10 ,% à 25 Sb. 7 - Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif (17) de commande du dispositif d'admission secondaire (14) est une soupape reliée au dispositif d'admission secondaire et reliée mécaniquement au papillon des gaz (25) du carburateur (13). 8 - Moteur suivant lune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif (17) de commande du dispositif d'admission secondaire (14) est une soupape reliée à ce dispositif et fonctionnant en réponse à la valeur de la dépression engendrée dans le dispositif d'admission principal (Il). 9 - Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'extrémité (14b) du dispositif dtadmission secondaire (14) est divisée en deux ou en plus de deux branches (14d, 14e), l'une desdites branches (14 d) débouchant dans le conduit d'écoulement du carburateur (13) de telle sorte que cette branche puisse être fermée par le papillon (25) des gaz du carburateur en cours de fonctionnement au ralenti, tandisque l'extrémité de l'autre branche (14e) ou des autres branches débouche en amont dudit papillon (25) des gaz, de sorte que le dispositif de commande du dispositif d'admission secondaire 14 peut être constitué par le papillon des gaz et par l'extrémité de ladite branche (14d) pouvant être fermée par ce papillon. 10 - Moteur suivant la revendication 9, caractéris en ce que l'extrémité de ladite ou desdites autres branchez (14e) débouche dans le conduit dtécoulement du carburateur (13) en aval du venturi (26) de ce carburateur. 11 - Moteur suivant l'une quelconque des revendica. tions 1 a' 8, caractérisé en ce que l'extrémité d'admission du dispositif d'admission secondaire (14) débouche dans le conduit d'écoulement du carburateur (13) entre le papillon (25) des gaz et le venturi (26). 12 - Moteur suivant l'une quelconque des revendica tions I à 8, caractérisé en ce que l'extrémité d'admission dispositif d'admission secondaire (14) débouche dans l'ait phère par l'intermédiaire d'un filtre à air (16). 13 - Moteur suivant l'une quelconque des revendica tions 1 à 12, caractérisé en ce que l'extrémité de sortie (14c) du dispositif d'admission secondaire (14) débouche jl te en amont de la soupape d'admission (8) du dispositif dw; mission principal (11) de façon que cette extrémité (14c) dispositif d'admission secondaire puisse être reliée à la chambre de combustion (5) lorsque la soupape d'admission e ouverte