Brevet FR2524556A1 — publié le 19831007

La présente invention concerne une méthode de répartition de la charge de combustible d'un moteur à allumage commandé à aspiration naturelle. Il est connu qu'aux charges partielles, la puissance délivrée par un moteur à aspiration naturelle est réglée par la quantité de mélange air-combustible admise et brûlée dans les cylindres. Le réglage de cette quantité de mélange se fait généralement en réalisant un étranglement variable à l'admission de l'air (ou du mélange air-combustible) dans les cylindres. Cet étranglement agit en mettant plus ou moins en dépression la canalisation d'admission en amont des cylindres. De ce fait ce procédé conduit, du moins lors du fonctionnement aux charges partielles, a une dégradation de travail à laquelle correspond une détérioration du rendement. Ainsi l'on comprend mieux que,dans le cas d'un moteur à allumage commandé à aspiration naturelle,la zone de fonctionnement assurant le meilleur rendement soit située au voisinage du point de fonctionnement à pleine charge. La présente invention vise à améliorer le rendement du moteur lors du fonctionnement aux charges partielles. Elle se distingue de l'art antérieur illustré par les brevets : FR 2 448 037, OS 1 510 459, US 4 207 855 et US 4 207 856, en ce que le réglage de la puissance se fait en agissant sur la fréquence des cycles moteurs et en ce que l'admission est toujours effectuée sensiblement à pleine ouverture, même aux charges partielles, la nasse d'air admise par cycle par cylindre étant par suite sensiblement constante. Selon cette nouvelle méthode le réglage de la puissance délivrée par le moteur s'obtient alors - soit par modification du nombre de cylindres alimentés en combustible ce que l'on peut qualifier de stratification dans l'espace, - soit par modification de la fréquence d'alimentation en conbustible des divers cylindres que l'on peut qualifier de stratification dans le temps, - soit par modification de la quantité de combustible délivrée par un cylindre dans les limites de richesses admises pour un fonctionnement correct du moteur, - soit par les diverses combinaisons possibles des trois modes de réglage précédents. Cette méthode peut également permettre une amélioration du rendement du moteur même à pleine charge. En effet, comme le débit d'air est sensiblement constant et que le débit de combustible varie dans une faible plage, il devient possible de réaliser un dessin de la chambre de combustion, des canalisations d'admission, etc..., qui soit mieux adapté aux conditions de fonctionnement. Enfin, il convient de noter que, lors de l'application de la méthode selon l'invention, d'autres caractéristiques du fonctionnement que celle du meilleur rendement, peuvent être utilisées pour déterminer la quantité de combustible délivrée au moteur. Par exemple, le maintien de la teneur des gaz d'échappement en produits polluants en dessous d'un certain seuil. L'invention pourra être comprise et tous ses avantages appa raieront clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexes - la figure 1 représente le cycle thermodynamique des gaz d'un noteur à allumage commandé dans le diagramme pression-volume, - les figures 2A, 2B, 2C représentent différentes configurations possi bles pour réaliser un fonctionnement da moteur au cinquième de sa charge optimum, - les figures 3A, 3B, 3C, 3D représentent différentes configuraticms possibles pour réaliser in foneeionnement du moteur au quart de sa charge optimum, - la figure 4 représente e fonction de la richesse les courbes de puissance, de consommation, et de teneur des gaz d'échappement en produits polluants (imbrûlés, oxyde de carbone, oxyde d'azotess, et - la figure 5 illustre un exemple de réalisation de la méthode selon l'inventisn. La méthode habituellement utilisée pour le fonctionnement aux charges partielles d'un moteur à allumage commandé, consiste, comme il a déjà été dit, à créer un étranglement variable à l'admission de l'air dans les cylindres. Le cycle thermodynamique alors décrit par le gaz est représenté dans le diagramme pression-volume à la figure 1; S1 désigne la boucle dite négative du cycle, car sa surface correspond à une dégradation de travail. La surface de cette boucle négative qui est synonyme de mauvais rendement est d'autant plus grande que l'étranglement à l'admission de l'air dans les cylindres est important. S2 désigne la boucle dite positive, car sa surface représente le travail fourni par le gaz. Le travail récupérable sur les gaz est obtenu en faisant la différence entre la surface de la boucle positive et celle de la boucle négative. La présente invention vise à permettre un fonctionnement aux charges partielles, tout en s'affranchissant de l'étranglement variable à l'admission de l'air dans les cylindres et par conséquent tout en minimisant la surface de la boucle négative, ce qui permet une amélioration du rendement. Ainsi, la présente invention consiste en une nouvelle méthode de réglage de la puissance délivrée par le moteur. Selon cette méthode l'admission d'air dans le moteur étant effectuée sensiblement à pleine ouverture, la quantité d'air admise dans les cylindres par cycle est sensiblement constante. La quantité de combustible qui peut alors être injectée dépend de la plage de richesse du mélange air-combustible admise pour un bon fonctionnement du moteur. Comme il est déja connu, cette plage est sensiblement comprise entre les valeurs de richesse 0,8 et 1,15 ce qui correspond à une variation relativement faible des débits de combustible de l'ordre de 35 %. Par conséquent et selon la méthode, les cylindres moteurs sont toujours utilisés au voisinage des fortes charges mais leur nombre par rapport à la totalité des cylindres et la fréquence de leur ali mentation en combustible varient selon la puissance demandée au moteur. Dans ce qui suit, le cylindre qui a reçu du combustible et qui par conséquent fournira un travail moteur sera dit actif, celui qui n'en a pas reçu sera dit inerte ou inactif. Nous désignerons par configuration de fonctionnement le nombre des cylindres alimentés en combustible et les fréquences avec lesquelles ils le sont. L'exemple qui suit permettra une meilleure compréhension de l'invention, cet exemple comme ceux qui suivront n'étant, bien entendu, nullement limitatif. Soit un moteur à allumage commandé à quatre temps, à quatre cylindres auxquels on demande une puissance égale au cinquième de la puissance optimum. Selon la méthode habituelle, tous les cylindres sont actifs mais ne sont utilisés qu'au cinquième de leur puissance optimum. La figure 2A en est l'illustration. Cette figure représente à gauche une schématisation du moteur M à quatre cylindres. Ces derniers sont numérotés de un à quatre de haut en bas. L'abscisse représente les tours de vilebrequin, ou le temps si le régime de rotation du moteur est connu. Chaque carré représente un cylindre qui peut être rendu actif. La surface totale du carré est supposée représenter la puissance opti c 'est-à-dire mum récupérable par cylindre par explosion,/par cycle actif. La surface hachurée représente la puissance effectivement fournie par le cylindre. L'ordre d'allumage adopté, à titre d'exemple, est 1, 3, 4, 2. Selon l'invention, un cycle sur cinq en moyenne est rendu actif, mais à sa puissance optimum, comme le montre la figure 2B. Dans l'exemple précédent (figure 2B) tous les cylindres contribuent à l'établissement de la puissance demandée au moteur et les explosions se suivent à intervalle régulier dans le temps. Il peut, cependant en être autrement, ainsi par exemple, et toujours pour le cinquième de la puissance optimum du moteur la configuration de fonctionnement qui consiste, à partir de la dernière explosion, à rendre actif le quatrième cycle, puis le sixième cycle compté à partir de ce quatrième et à recommencer, correspond à un fonctionnement sur deux cylindres, comme le montre la figure 2C. La configuration précédente sera notée (4, 6). D'une façon générale dans ce qui suit, les configurations de fonctionnement seront définies par une suite de nombres : (al, a2,...,a,..., an). Chaque nombre (ai) diminué de un représente le nombre de cycles inertes séparant le dernier cycle actif du suivant. Quand tous les nombres de la parenthèse, après avoir été successivement utilisés, sont épuisés, on recommence au premier. La puissance obtenue pour une telle configuration correspond sensiblement à Puissance délivrée par le moteur n x Puissance fournie par cycle actif i=n gaz i=1 n étant le nombre de cycles actifs qui est égal au nombre d'éléments contenus dans la parenthèse. Il existe des valeurs de la charge pour lesquelles il n'est pas possible d'obtenir un fonctionnement régulier faisant intervenir tous les cyclindres. Par exemple, pour faire fonctionner le moteur au quart de sa charge optimum avec des cycles régulièrement espacés dans le temps, on est amené à n'utiliser hou'un seul cylindre (figure 3A). Par contre, si l'on adopte la confiJuration de fonctionnement (3, 5) représentée à la figure 3B, la régularité du fonctionnement est perdue, mais deux cylindres participent alors à l'établissement de la puissance fournie par le moteur. La configurae on de fonctionnement (3, 3, o > représentée à la figure 3C détruit encore plus la régularité des explosions, mais trois cylindres participent à i'établissement de la puissance du moteur. Enfin, la configuration (3, 3, 3, 7) figure 3D fait participer la totalité des cylindres. I1 est bien évident que selon l'invention il est également possible d'utiliser des groupes de cylindres plutôt que des cylindres seuls, cela ne modifie en rien ce qui a été exposé précédemment, si ce n'est que la surface des carrés des figures 2 et 3 au lieu de représenter la puissance d'un seul cylindre représenterait celle correspondant au nombre de cylindres qui compose le groupe. Si les groupes sont composés de nombres différents de cylindres, la surface d'un carré est fonction du nombre de cylindres qui compose le groupe qu'il représente et bien entendu, les configurations de fonctionnement sont modifiées. Les cylindres composant un même groupe peuvent avoir ou non un allumage simultané. Cela dépend'dru moteur et de la façon dont sont composés les groupes. La figure 4 permet d'expliquer les différentes variantes de réglage de la quantité de combustible délivrée par cycle selon l'invention. Cette figure représente cinq courbes exprimées en fonction de la richesse - la courbe 5 de puissance, - la courbe 6 de consommation, - la courbe 7 de teneur des gaz d'échappement en imbrûlé (HC), - la courbe 8 de teneur des gaz d'échappement en mono-oxyde de carbone (oxo), - la courbe 9 de teneur des gaz d'échappement en oxyde d'azote (NOx) Selon l'une des variantes de la méthode, la quantité de combustible délivrée par cycle actif est constante. La valeur de cette quantité est déterminée en fonction d'ur. objectif préalablement fixé. Les deux exemples qui suivent permettront de mieux comprendre. Dans ie premier exemple l'onjecolf fixé sera de minimiser la conscomation, ce qui revient à optimiser le rendement. Pour cela, il q faut doser la quantité de combustible de telle manière que la richesse du mélange air-combustible soit voisine de la valeur b sur la figure 4 qui correspond à la richesse du point A de plus faible consommation. Dans le deuxième exemple, l'objectif sera de maintenir la teneur des gaz d'échappement en oxyde d'azote en dessous d'un certain seuil. Ce seuil est représenté par la valeur c à la figure 4. Il lui correspond le point D sur la courbe 9. Pour que la teneur en oxyde d'azote soit inférieure à c il faut donc que la richesse du mélange soit supérieure à la valeur e. Bien entendu, la valeur de e est la plus intéressante, car elle correspond au point de plus faible consommation, compte tenu de la contrainte sur la teneur en oxyde d'azote des gaz d'échappement. Dans les deux exemples ci-dessus nous n'avons pas tenu compte de ce que la quantité d'air aspiré par le moteur n'est pas rigoureusement constante et qu'elle varie légèrement en fonction du régime de rotation du moteur et des conditions extérieures : température, pression... A cet égard, deux attitudes sont possibles - les variations de richesse qui en découlent sont estimées acceptables au regard des objectifs fixés par l'homme de l'art et l'on ne fait rien - les variations de richesse sont estimées inacceptables et il convient de corriger la quantité de combustible pour maintenir la richesse dans les tolérances imposées par l'homme de l'art compte tenu des objectifs fixés. Souvent, la quantité sensiblement constante de combustible à délivrer par cycle n'est pas celle qui permet la puissance maximum. Dans les deux exemples précédents les puissances respectivement obtenues sont représentées à la figure 4, aux points F et G, alors que la puissance maximum correspond au point }S. Il est cependant possible d'obtenir les puissances intermédiaires entre les points F ou G et le point H, en enrichissant le mélange air-combustible. Ce faisant, bien entendu, on s'écarte des objectifs précédemment cités. Ainsi, lorsque la puissance demandée au moteur est supérieure à celle obtenue en rendant active la totalité des cylindres ou groupes de cylindres, on délivre une quantité supplémentaire de combustible proportionnelle au supplément de puissance demandé, de manière à augmenter la richesse du mélange air-combustible et à accroître la puissance fournie par le moteur. Selon une autre variante de la méthode, la quantité de combustible délivrée par cycle actif est réglée de manière à faire varier la richesse dans la plage ou dans une partie de la plage correspondant à un fonctionnement acceptable du moteur. La puissance alors fournie par cycle actif varie sensiblement dans le même rapport. Cette variante permet de faciliter la détermination et de réduire le nombre total des configurations qui autorisent le fonctionnement du moteur sur toute la plage de puissance (du ralenti à la pleine puissance Y. Notons que selon une telle méthode il est avantageux de connaître la quantité d'air qui pénètre dans les cylindres de façon à connaître la richesse du mélange air-carburant et à mieux gérer la quantité de combustible délivrée par cylindre. Selon la méthode, il est possible, mais non obligatoire, de couper l'allumage sur les cylindres correspondant à des cycles non actifs. Les meilleurs résultats sont obtenus par l'utilisation de l'injection directe de la charge de combustible dans les cylindres, car celle-ci est ainsi parfaitement contrôlée et est presque entièrement briSe, alors que si le combustible est introduit dans la canalisation d'aimission que ce soit par injection ou par carburation, il s'en dépose une partie sur les parois. Celle-ci s'évapore lors des cycles qui suivent immédiatement l'interruption de l'alimentation et pénètre dans les cylindres concernés perturbant ainsi le fonctionnement du moteur et augmentant la teneur des gaz d'échappement en produits polluants. La figure 5 représente schématiquement un exemple de réalisation selon l'invention.Le repère M désigne le moteur dans son ensemble et le repère 10 l'unité de commande. L'air est aspiré par la canalisation d'admission 11, éventuellement à travers un dispositif de mesure de débit d'air 12. L'air pénètre ensuite dans les cylindres 13a, 13b, 13c, 13d qui sont munis d'injecteurs 14a, 14b, 14c, 14d commandés par l'unité centrale 10. Celle-ci commande les injecteurs qui correspondent à la configuration retenue en relation avec la consigne fournie par le dispositif 15. Celui-ci peut être constitué d'un potentiomètre, d'un capteur de déplacement ou de tout autre système permettant de transmettre la consigne à l'unité de commande. L'unité de commande peut, éventuellement et si le type d'injecteur utilisé le permet, régler la quantité de combustible délivrée par cylindre actif en fonction de la consigne, de la configuration de fonctionnement et de la mesure éventuelle du débit d'air. Les gaz de combustion provenant des cylindres actifs se mélangent avec l'air provenant des cylindres inertes dans la canalisation d'échappement 16. Lors des périodes de décélération, il est possible de couper l'alimentation en carburant du moteur. Dans ces conditions un capteur de vitesse de rotation 17 ou de seuil de vitesse de rotation permet à l'unité de commande de rétablir l'injection pour éviLer au moteur de caler. Bien entendu, l'unité de commande peut recevoir d'autres informations ou consignes extérieures et modifier en conséquence la gestion des différents cylindres. L'unité de commande peut également couper l'allumage des bougies 18a, 18b, 18c, 18d des cylindres inertes. Il convient de préciser que les exemples donnés précédemment ne limitent nullement la présente invention et que celle-ci peut s'appliquer à tous les types de moteurs à allumage commandé. REVENDICATIONS 1. - Méthode de répartition de la charge de combustible d'un moteur à allumage commandé à aspiration naturelle à puissance variable, comportant au moins un cylindre ou groupe de cylindres, caractérisée en ce que l'admission est effectuée sensiblement à pleine ouverture, quelle que soit la puissance demandée au moteur, dans certains au moins des cylindres, et en ce que le réglage de la puissance fournie par le moteur est réalisé en modifiant progressivement le nombre de cylindres ou groupes de cylindres alimentés en combustible et/ou leur fréquence d'alimentation en combustible. 2. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la quantité de combustible admise dans un cylindre ou groupe de cylindres alimenté en combustible est sensiblement indépendante de la puissance demandée au moteur. 3. - Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que la quantité de combustible est corrigée en fonction des conditions de fonctionnement du moteur et/ou des conditions extérieures. 4. - Méthode selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que la quantité de combustible est dosée de manière que la richesse du mélange air-carburant corresponde sensiblement à la richesse du point de fonctionnement de meilleur rendement. 5. - Méthode selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que la quantité de combustible est dosée de manière que la richesse air-carburant soit sensiblement égale à une valeur prédéterminée, correspondant à l'optimisation de caractéristiques du fonctionnement autres que le rendement. 6. - Méthodeselon la revendication 1, caractérisée en ce que le réglage de la puissance fournie par le moteur se fait également, du moins dans une certaine plage, en agissant sur la quantité de combustible admise dans un cylindre ou groupe de cylindres alimenté en combustible ou cylindres actifs de manière à faire varier la richesse du mélange air-combustible dans au moins une partie de la plage correspondant à un fonctionnement acceptable du moteur. 7. - Méthode selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'on effectue des corrections du débit de combustible délivré aux cylindres actifs, en fonction de la quantité d'air pénétrant dans les cylindres. 8. - Méthode selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que la quantité de combustible est dosée de manière que la richesse du mélange air-combustible corresponde en moyenne à la richesse du point de fonctionnement de meilleur rendement. 9. - Méthode selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que la quantité de combustible est dosée de manière que la richesse du mélange air-carburant corresponde en moyenne à une richesse prédéterminée, celle-ci permettant d'optimiser des caractéristiques de fonctionnement autres que le rendement. 10. - Méthode selon l'une des revendications l à 9, caractérisée en ce que l'on coupe l'allumage sur les cylindres ou groupes de cylindres non alimentés en combustible. 11. - Méthode selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la configuration d'alimentation en combustible des cylindres ou groupes de cylindres, c'est-a-dire le nombre de cylindres ou groupes de cylindres alimentés en combustible et la fréquence avec laquelle ils le sont, est déterminée de façon à favoriser la régularité des explosions dans le temps. 12. - Méthode selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la configuration d'alimentation en carburant des cylindres ou groupes de cylindres est déterminée de façon à faire participer le plus grand nombre possible de cylindres ou groupes de cylindres compatible avec un fonctionnement correct du monteur. 13. - Méthode selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que l'on réalise l'alimentation en combustible par injection directe. 14. - Méthode selon l'une des revendications 1 à 13,caractérisée en ce que,lorsque la puissance demandée au moteur est supérieure à celle obtenue en rendant activela totalité des cylindres ou groupes de cylindres, on délivre une quantité supplémentaire de combustible proportionnelle au supplément de puissance demandé, de manière à augmenter la richesse du mélange air-combustible et à accroître la puissance fournie par le moteur. 15. - Moteur à allumage commandé à aspiration naturelle à puissance variable, comprenant au moins un cylindre, ou groupe de cylindres, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison des moyens assurant dans certains au moins de ces cylindres, ou groupe de cylindres, un débit d'alimentation en air sensiblement indépendant de la puissance demandée au moteur et des moyens adaptés à modifier progressivement, en fonction de la puissance demandéé au moteur, le nombre de cylindres ou groupes de cylindres alimentés en combustible et/ou leur fréquence d'alimentation en combustible.