Brevet FR2571781A1 — publié le 19860418

L'invention concerne un moteur à combustion interne à quatre temps, à autc-allumage ou à allumage commandé, avec injection directe du carburant, à suralimentation par turbo- soufflante et recyclage intérieur des gaz d'échappement en fonction de la charge réalisé au moins dans certains domai- nes de fonctionnement en agissant sur les moyens de transfert des gaz, dans lequel la formation du mélange est réglée essen- tiellement par le mouvement tourbillonnaire des gaz frais engendré dans un conduit d'admission et maintenu dans une cham- bre de combustion en forme de corps de révolution. Les moteurs Diesel ont un système de réglage quali- tatif. Ils ne possèdent pas d'étranglement et ont par consé- quent un flux volumique éLevé. En raison de la difficulté qu'il y a à réaliser dans un temps très court la formation du mélange immédiatement avant la combustion, la quantité d'air aspirée dans Les chambres de combustion du moteur est plus grande qu'il n'est en fait nécessaire pour la combustion du carburant injecté dans les chambres. D'une façon générale, plus la charge du moteur est faible, plus la proportion d'air aspiré est grande. De plus, dans la zone de faible charge, la combustion dans la chambre de combustion s'effectue de façon "languissante" et à un niveau de température relativement bas. C'est justement pour cela que, dans cette zone, les gaz d'échap- pement ont un effet défavorable à l'égard des imbrûlés; avant tout, la quantité importante d'oxygène favorise la formation d'oxydes d'azote. C'est particulièrement le cas pour des moteurs à injection directe. Au cours des dernières années, il est devenu courant pour des moteurs à combustion interne suralimentés, de recy- cler à l'admission une partie des gaz d'échappement afin de diminuer l'émission d'éléments polluants (oxydes d'azote et hydrocarbures). Le recyclage des gaz d'échappement diminue la teneur en oxygène de l'air de combustion et par conséquent l'excès d'air effectif des gaz frais. Par la concentration en oxygène du contenu du cyLindre, on peut également agir sur la ciné- tique des réactions de combustion, et influencer par Là Le déroulement de la combustion et La composition des gaz d'échappement. Un autre aspect très important du recyclage des gaz d'échappement est la diminution du déLai d'allumage, c'est-à- dire du temps qui s'écoule depuis le début de l'injection du carburant jusqu'au début de la combustion. Cette diminution est une-conséquence de La température plus élevée en fin de compression résultant de la température plus éLevée d'entrée des gaz frais. En plus d'un certain nombre d'avantages tels que par exempLe la diminution du cliquetis, la diminution du délai d'allumage améLiore également la combustion, réduisant en conséquence L'émission d'éléments poLLuants. Pour les systèmes d'alimentation avec recyclage des gaz d'échappement pour moteurs Diesel, il est souhaitable que la quantité d'air remplacée par les gaz d'échappement soit proportionnelle à La quantité d'air en excédant par rapport au besoin en air strictement nécessaire à La combustion de la quantité de carburant injectée, afin d'éliminer du flux d'air alimentant les cylindres du moteur, une quantité d'air excé- dentaire aussi grande que possible sans pour autant provoquer une combustion discontinue du carburant dans Les cylindres, pour obtenir de ce fait pour L'ensemble des régimes de fonc- tionnement du moteur un maximum d'efficacité en ce qui con- cerne la suppression des émissions d'oxydes d'azote. C'est à faible charge que La quantité de recyclage maximum des gaz d'échappement est nécessaire, car c'est dans ce cas que l'excès d'air est Le plus important. En revanche, à pleine charge, un fort recyclage des gaz d'échappement abaisserait La puissance que peut atteindre le moteur, car il n'existe plus alors qu'une faible quantité d'air en excès. Pour cette raison, il est nécessaire de régler La quantité de gaz d'échappements recycLés, de telle sorte que la proportion de gaz d'échappements recyclés diminue-au fur et à mesure 2 7 1 7 81 qu'augmente la charge du moteur, et qu'à pleine charge il n'y ait plus de recyclage des gaz d'échappement. IL faut distinguer le recyclage extérieur du recy- clage intérieur des gaz d'échappement. Par le recyclage exté- rieur, les gaz d'échappement sont conduits depuis le canal d'échappement dans le tuyau d'aspiration en passant par des canalisations et des dispositifs de réglage. En revanche, le recyclage intérieur des gaz d'échappement est plus facile à réaliser en agissant de façon appropriée sur les moyens de transfert des gaz. C'est pourquoi le recyclage intérieur pré- sente par rapport au recyclage extérieur certains avantages;il est en particulier également avantageux en ce qui concerne l'émission d'hydrocarbures à faible charge (par le fait que les gaz d'échappement sont plus chauds). Le démarrage à froid et l'échauffement du moteur sont plus rapides. Pour le recyclage intérieur des gaz d'échappement, les actions sur les moyens de transfert de gaz peuvent se produire de manière très variée (voir DE-AS 12 22 735 et DE-PS 12 42 044); on peut entre autres utiliser des doubles cames pour commander les soupapes de transfert de gaz (voir par exempte DE-AS 14 01 228, DE-OS 21 25 368, DE-OS 26 38 651, DE-OS 27 10 189, DE-PS 17 51 473). De tous ces documents cités, seul le DE-PS 12 42 044 concerne un moteur à combustion interne à suralimentation. La présente invention concerne un moteur à combus- tion interne de ce type, comportant un recyclage intérieur des gaz d'échappement du genre décrit ci-dessus. Le but de l'invention est de perfectionner un moteur à combustion interne de type connu de manière que, d'une part, le recyclage des gaz d'échappement à faible charge n'entraîne pas d'affaiblissement de l'énergie tourbillonnaire de l'air (énergie tourbillonnaire d'alimentation) qui annulerait les améliorations souhaitées dues aux gaz d'échappement et que, d'autre part, à pleine charge, le balayage des cylindres soit facilité. 2E71781 Ce but est atteint par L'invention grâce au fait que La soupape d'admission est ouverte brièvement pendant La phase d'échappement, L'ouverture s'effectuant au plus tôt à 30 d'angLe de maniveLLe après Le point mort bas, La Levée -maximale de soupape étant comprise entre 15 et 30 % de sa course maximaLe, et au fait que, au plus tard au moment de La fermeture de La soupape d'échappement (juste avant Le point mort haut) iL existe encore une ouverture minimale de la sou- pape d'admission maintenue jusqu'au début de la course d'aspi- ration (juste après Le point mort haut). Grâce à L'ouverture préalable et de courte durée de la soupape d'admission pendant la phase d'échappement, on apporte simultanément plusieurs améliorations au moteur à com- bustion interne à injection directe et suralimentation par turbosoufflante du type considéré. IL se produit à faibLe charge un recyclage intérieur des gaz d'échappement avanta- geux, qui est automatiquement réduit à pleine charge par les rapports de pression entre l'air de suralimentation et les gaz d'échappement pour finalement s'annuler. En général, jus- qu'à une charge de moteur d'environ 30 %, La pression d'admis- sion est inférieure à La pression du cylindre; en revanche, lorsque la charge du moteur augmente jusqu'à pleine charge, la pression d'air d'alimentation est plus élevée. Cela signi- fie que, pour ces zones de charge, de l'air passe dans l'échap- pement au travers du cylindre. De ce fait, le balayage de la chambre de combustion est amélioré (exclusivement pendant la phase échappement) et on obtient en même temps un refroidisse- ment supplémentaire du piston et de la culasse de cylindre. On peut également renoncer au balayage au point mort haut habituellement réalisé dans les moteurs à suralimentation, afin d'assurer un balayage minimal de la chambre de combus- tion et, en conséquence, utiliser des pistons sans creux de soupape. L'absence de creux de soupape permet un meilleur maintien du mouvement tourbillonnaire de l'air dans la chambre de combustion et l'amélioration de la forme du canal de gira- tion. L'effet d'entaille des creux de soupapes étant supprimé, le piston peut supporter une charge thermique plus importante. Les gaz d'échappement refoulés dans le canal d'aspiration (à faible charge) sont à nouveau aspirés pendant la phase d'as- piration. Le recyclage intérieur des gaz d'échappement étant réalisé par ouverture de la soupape d'admission pendant la phase d'échappement et non pas, comme ce serait par exemple également possible, par réouverture de la soupape d'échappe- ment pendant La phase d'aspiration, il ne se crée aucune perturbation (diminution) de l'énergie cinétique giratoire de l'air. En d'autres termes, la masse gazeusequi est admise par le canal giratoire dans un moteur à combustion interne à injec- tion directe et qui détermine l'énergie cinétique tourbillon- naire de l'air dans le cylindre (chambre de combustion) n'est pas diminuée Lorsque la proportion de gaz d'échappement recy- clés augmente. Etant donné que, quand le moteur travaille à charge élevée, un recyclage des gaz d'échappement n'est pas souhaité et que seul un balayage de la chambre de combustion est désiré, l'ouverture préalable de la soupape d'admission ne débute qu'à environ 30 et 40 d'angle de manivelle après le point mort bas, la pression dans le cylindre étant alors déjà totalement annulée. Pour que, dans les zones de fonction- nement à faible charge, il n'y ait pas trop de gaz d'échappe- ment recyclés (ou que dans les zones de fonctionnement à pleine charge iL n'y ait pas trop d'air frais passant dans le cylin- dre), la levée maximale de la soupape d'admission est limitée pendant la phase d'échappement à 15 à 30 % de sa course maxi- male. Cette course prend fin au plus tard à la fermeture de la soupape d'échappement (juste avant le point mort haut) mais, jusqu'au début de la course d'aspiration juste après le point mort haut, la soupape d'admission reste très peu ouverte (pas plus de 1/10 de la course maximale de la soupape d'admission). L'avantage résultant réside dans le maintien de la continuité de l'écoulement de la masse de gaz. La commande de la soupape d'admission pendant la phase d'échappement peut avantageusement s'effectuer par procédé totalement électronique ou bien par l'intermédiaire d'une pré-came connue en soi sur la came d'admission. On sait que la vitesse de l'air de combustion en rotation, au niveau d'un diamètre de mesure (0,7 fois le dia- mètre de l'alésage ou du piston) pour une ouverture maximale de la soupape d'admission, et pour une vitesse moyenne de pis- ton de 10 m/sec, présente une composante tangentielle de 30 à m/sec. c10 D'autres détails de l'invention ressortent de la description suivante des figures, dont: - ta figure 1 est une coupe partielle schématique d'un cylindre de moteur à combustion interne du type concerné avec son dispositif de commande; la figure 2 est un graphe de la levée de soupape d'admission (course de cette dernière) pendant la phase d'é- chappement et la phase d'aspiration; - la figure 3 est un diagramme concernant la déter- mination de l'angle d'ouverture de la soupape d'admission pen- dant la phase d'échappement; - la figure 4 montre à titre d'exemple un cycle de commande typique de soupape (les temps d'ouverture des soupapes en fonction du réglage de l'angle de manivelle). La figure 1 montre schématiquement un cylindre 1 de moteur à combustion interne à quatre temps, à auto-allumage ou à allumage commandé, avec injection directe du carburant et suralimentation par turbo-soufflante, dans lequel se trouve le piston 2 (avec chambre de combustion). Les soupapes (sou- pape d'admission 3 et soupape d'échappement 4) servent à com- mander le moteur à combustion interne et sont accouplées à des commandes variables. Ces commandes de soupape consistent en des convertisseurs électromécaniques dont 5 et 6 représen- tent les relais et 7 et 8 des électroaimants de puissance. Dans une unité de commande 9, des diagrammes caractéristiques de moteur pour différents états de fonctionnement sont mis en mémoire sous forme de temps de commande des soupapes d'ad- mission 3, des soupapes d'échappement 4 de l'injection de carburant et de l'allumage. En fonction de l'état de la com- mande 10 (pédale d'accélérateur), d'une information concer- nant le régime de rotation 11 (générateur de signal du régime de rotation) et d'autres paramètres tels que température du bloc moteur, température de l'eau de refroidissement, tempé- rature de l'air de combustion, etc., ces diagrammes sont interrogés et les valeurs sélectionnées sont transmises aux commandes des soupapes ainsi qu'à l'injecteur et au dispositif d'allumage. L'unité de commande 9 détermine, en fonction de la charge du moteur, la durée d'ouverture des soupapes 3,4 en angle de manivelle, et la charge du moteur est déterminée par le conducteur au moyen de la pédale d'accélérateur 10 qui règle la quantité d'injection de la pompe d'injection 12 et transmet un signal correspondant à l'unité de commande 9 par l'inter- médiaire du générateur de signal 13. Une correction en fonction du régime est transmise par le générateur de signaux 11 à l'unité de commande 9. Selon l'invention, la soupape d'admission 3 est ouverte brièvement en fonction de la charge du moteur pendant le temps d'ouverture de la soupape d'échappement 4 (c'est-à- dire pendant la phase échappement). Plus la charge du moteur est faible, plus le temps d'ouverture de la soupape d'admis- sion 3 pendant la phase d'échappement se prolonge. Il en résulte la situation suivante. 1. A faible charge: Une quantité de gaz d'échappement qui est fonction de la charge du moteur est expulsée dans le canal d'aspiration 14 pendant la phase d'échappement (la contrepression des gaz d'échappement est supérieure à la pression de l'air d'alimenta- tion). Cette quantité de gaz d'échappement est de nouveau aspi- rée lors de la phase d'aspiration qui suit. L'alimentation dans le cylindre est alors constituée d'un mélange air/gaz d'échap- pement et ne contient que la quantité d'oxygène réellement nécessaire à La charge du moteur. Etant donné que le flux volumique total passant dans le canal d'admission pendant la phase d'admission est maintenu, il n'y a pas d'affaiblisse- ment de L'énergie cinétique tourbillonnaire élevée nécessaire à la formation du mélange pour l'injection directe. Du fait d'un flux volumique dans la conduite d'échappement 15 (pendant la phase d'échappement) plus faible lorsque la charge du moteur est petite, l'énergie de transfert des gaz est réduite car les pertes de pression dans le système d'échappement sont plus faibles de façon correspondante, ce qui diminue la charge du filtre à air. Du fait que le mélange dans le cylindre à faible charge est constituée à la fin de la course d'aspiration par de l'air frais et des gaz d'échappement, les effets d'un recy- clage des gaz d'échappement chauds se font sentir. Ils ont pour conséquence une émission de gaz d'échappement à faible charge plus réduite pour deux raisons: a) La concentration de nombreux éléments polluants est plus faible dans la chambre de combustion en partie remplie par des gaz d'échappement chauds. En particulier, l'émission d'oxyde d'azote est réduite pendant la combustion car la teneur en oxygène d'alimentation est plus faible. En raison de la température éLevée de L'alimentation lorsque le moteur est froid et à faible charge, la concentration des imbrûlés (hydro- carbures) reste faible. b) L'émission volumique diminue car les gaz d'échap- pement restent en partie-dans le moteur. Par ailleurs,le délai d'allumage est raccourci. 2. A charge élevée (à partir d'environ 40 % de charge): Dans ce cas, les rapports de pression sont inversés (la pression de l'air d!alimentation est maintenant supérieure à la contrepression d'échappement), il n'y a plus de reflux des gaz d'échappement dans le canal d'aspiration, mais il y a pénétration d'air frais dans le cylindre. Il en résulte un balayage intensif du cylindre dès la phase échappement. On peut donc supprimer le balayage habituel du cylindre pendant le temps de chevauchement d'ouverture des soupapes (au point mort haut) qui nécessite la présence de creux de soupape dans le piston. Ceci est particulièrement avantageux pour les moteurs à injection directe car les creux de soupape rendent plus difficile Le maintien de l'énergie cinétique tourbillon- naire de l'air jusqu'au point mort haut. Pour empêcher qu'à charge élevée les gaz d'échappe- ment soient cependant recyclés par suite d'une pression élevée dans le cylindre, la pré-ouverture de la soupape d'admission débute seulement à un angle de manivelle d'environ 30 à 40 après le point mort bas car, à ce moment-là, la pression du cylindre est déjà totalement annulée. La levée maximale de la soupape d'admission 3 pen- dant le temps d'échappement est limitée à 15 à 30 % de sa course maximale. De cette façon, d'une part le recyclage des gaz d'échappement n'est pas trop important (à faible charge) et, d'autre part, il n'y a pas de balayage trop important (à charge élevée). La pré-ouverture de la soupape d'admission 3 prend fin au plus tard au moment de la fermeture de la soupape d'échappement (juste avant le point mort haut; la soupape d'ad- mission 3 reste toutefois très peu ouverte (au maximum 1/10 de sa levée maximale) jusqu'au début de la course d'aspiration (juste après le point mort haut). Il n'y a donc pas d'inter- ruption d'écoulement. On a représenté à la figure 2 la courbe de variation de la course de la soupape d'admission 3 pendant un cycle de travail complet (entre le point mort bas PMB début échappement et le point mort bas PMB fin admission en passant par le point mort haut PMH intercalaire et pour une charge ou un régime de moteur déterminés). Les deux ouvertures de la soupape d'admis- sion peuvent être réalisées soit au moyen d'une commande entiè- rement électronique (voir figure 1), soit plus simplement en disposant un bossage supplémentaire (avant-came) sur la came d'admission. La durée d'ouverture, ou pour être plus exact l'angle d'ouverture (en phase et durée) est désigné par t. On voit que l'angle d'ouverture n'est calculé qu'à partir d'une course de soupape de 1 mm. La figure 3 concerne plus précisément la fixation de l'angle d'ouverture de soupape d'admission dans les moteurs à suralimentation. Dans le diagramme figuré est mise en regard de la pression moyenne (pm) en % du moteur à combustion inter- ne (en abscisse) la position angulaire ( M) de manivelle (en ordonnée). Dans la partie supérieure et dans la partie infé- rieure du diagramme se trouvent respectivement deux bandes 20, 21 à double hachure, la bande supérieure 20 se rapportant à la plage d'ouverture et la bande inférieure 21 à la plage de fermeture de la soupape d'admission. Ces bandes permettent de voir les différences qui doivent permettre d'optimiser diffé- rents dimensionnements de l'alimentation ou du régime du moteur. Dans l'exemple représenté, l'angle d'ouverture s'étend au maximum de 150 d'angle de manivelle avant point mort haut à d'angle de manivelle avant point mort haut et au minimum de 120 d'angle de manivelle avant point mort haut à 60 d'an- gle de manivelle avant point mort haut. La bande àKdouble ha- chure de 150 d'angle de manivelle avant point mort haut à d'angle de manivelle avant point mort haut se rapporte à la plage d'ouverture et la bande à double hachure de 60 d'an- gle de manivelle avant point mort haut à 30 d'angle de mani- velle avant point mort haut se rapporte à la plage de fermeture de la soupape d'admission 3. Un exemple de temps de commande de soupape typique (pour un moteur à vitesse nominale de 3000 t/min) est représen- té à la figure 4 sur laquelle l'on peut voir les temps d'ouver- ture (les temps de commande sont montrés ici aussi pour 1 mm de course de soupape) de la soupape d'admission (3) et de la soupape d'échappement (4) en fonction de la position angulaire de manivelle. A l'angle de manivelle 40 après le point mort bas ou, si on préfère, à l'angle de 140 avant le point mort haut, la soupape d'admission commence à s'ouvrir pendant la phase d'échappement (OA). Le moment de l'ouverture (OE) de la soupape d'échappement est situé à l'angle de manivelle de 2 5 7 1 7 8 1 1 1 avant le point mort bas,son moment de fermeture (FE) étant à 10 d'angle de manivelle avant le point mort haut. La sou- pape d'admission se ferme (FA) a nouveau dès l'angle de mani- velle de 40 avant le point mort haut. Pendant la durée d'ou- verture de la soupape d'échappement (210 d'angle de mani- velle), il y a donc un chevauchement de 100 d'angle de mani- velle de durée d'ouverture de la soupape d'admission. Lors du temps aspiration, la soupape d'admission s'ouvre (OA) tout à fait normalement à environ 10 d'angle de manivelle après le point mort haut; l'instant de fermeture (FA) est situé à 20 d'angle de manivelle après le point mort bas (durée d'ouver- ture totale de la soupape d'admission = 190 d'angle de mani- velle). La soupape d'échappement reste toujours fermée pen- dant cette période. Dans les moteurs qui disposent d'énergie hydraulique ou pneumatique, la commande d'ouverture des soupapes 3 et 4 est effectuée au moyen de soupapes appropriées à commande électrique et de vérins hydrauliques ou pneumatiques. On mentionnera enfin qu'il peut être judicieux dans certains cas, notamment pendant le démarrage à froid et la phase d'échauffement, de prévoir une soupape réglable supplé- mentaire montée dans le système d'échappement, ou/et une sou- pape réglable supplémentaire dans le système d'admission pour augmenter ainsi la quantité de gaz d'échappement fournie (augmentation de la contrepression d'échappement). Par un étranglement prévu dans le système d'échappement et/ou d'aspi- ration, on peut créer en outre un effet dit d'onde de pres- sion ou d'oscillation connue en soi qui peut intensifier le recyclage des gaz d'échappement et/ou le balayage. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Moteur à combustion interne à quatre temps, à auto-allumage ou à allumage commandé, avec injection directe du carburant, à suralimentation par turbo-soufflante et recyclage intérieur des gaz d'échappement en fonction dé la charge s'effectuant, au moins dans certaines plages de fonctionnement, par action sur les moyens de transfert des gaz, dans lequel la formation du mélange est réglée essentiel- lement par le mouvement tourbillonnaire rapide de l'air frais d'alimentation engendré dans un conduit d'admission et maintenu dans une chambre de combustion en forme de corps de révolution, caractérisé en ce que la soupape d'admission (3) est ouverte brièvement pendant la phase-d'échappement, l'ouverture s'ef- fectuant au plus tôt à 30 d'angle de mouvement de manivelle apres le point mort bas, la levée maximale étant comprise entre 15 et 30 % de la course maximale de la soupape d'admis- sion, et est ramenée en position d'ouverture minimale plus tard au moment de la fermeture de la soupape d'échappement (4) (juste avant Le point mort haut), cette ouverture minimale de la soupape d'admission (3) étant maintenue jusqu'au début de la course d'aspiration (juste après le point mort haut). 2. Moteur à combustion interne selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que l'ouverture minimale de la sou- pape d'admission maintenue jusqu'au début de la course d'aspi- ration correspond au plus à 1/10 de sa course. 3. Moteur à combustion interne selon les revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que, pendant la phase échappe- ment, la commande de la soupape d'admission (3) s'effectue de façon totalement électronique ou bien à-l'aide d'une pré- came connue en soi disposée sur la came d'admission. 4. Moteur à combustion interne selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que, de façon connue en soi, la soupape d'admission (3) étant totalement ouverte et la vitesse axiale moyenne du piston étant.de 10 m/sec, la vitesse de l'air de combustion en rotation dans le cylindre (1)sur diamètre de mesure (0,7 fois le diamètre du cylindre ou du piston)), présente une composante tangentielle de 30 à 50 m/ sec.