Brevet FR2668541A1 — publié le 19920430

- La présente invention concerne un procédé pour réduire les composants nocifs dans les gaz brûlés s'échappant d'un moteur par recyclage d'une partie de ceux-ci, de manière à respecter les normes de plus en plus sévères appliquées aux moteurs à allumage commandé. Des études ont montré en effet que le recyclage d'une partie des gaz s'échappant des cylindres entraîne non seulement une réduction des oxydes d'azote émis mais aussi une baisse significative des hydrocarbures imbrûlés en quantité notable vers la fin de la phase d'échappement La principale difficulté à résoudre est le contrôle du débit des gaz recyclés en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. Le principe du prélèvement d'une fraction des gaz brûlés par un moteur dans les conduits d'échappement et leur réintroduction après refroidissement dans les canaux d'admission des cylindres pour diminuer les rejets extérieurs de certains composants nocifs, est connu Un tel recyclage est mis en oeuvre en utilisant un circuit externe de liaison muni de moyens de contrôle de débit tels qu'une vanne par exemple. Par le brevet CH-530 554, on connait un procédé et un dispositif permettant de faire du recyclage de gaz d'échappement et qui est mis en oeuvre par une réouverture partielle des soupapes d'échappement durant la phase d'admission de gaz frais, pour réaspirer 2 - dans chaque cylindre une partie des gaz brûlés expulsés à la fin du cycle de combustion précédent Ce procédé est mis en oeuvre essentiellement par une modification de la forme des cames commandant les soupapes d'échappement de manière à imposer une réouverture partielle supplémentaire Ce procédé qui est appliqué sur des moteurs à deux soupapes par cylindre, ne permet pas d'obtenir un effet optimal quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur du fait que la réouverture partielle de la soupape d'échappement est imposée par la forme choisie pour la came de commande et donc immuable. On connait aussi des procédés pour améliorer le rendement d'un moteur avec pour effet induit un meilleur respect des normes relatives aux gaz d'échappement, ces procédés étant mis en oeuvre dans des moteurs pourvus d'une double soupape d'admission par cylindre, le principe étant de moduler le flux d'air passant par l'une des deux soupapes d'admission L'art antérieur pour ce type de moteur est décrit par exemple dans l'article de SAE Technical Paper Series N, 900227, par Mikulic et al. Par la demande de brevet FR-2 494 776, on connait aussi un procédé analogue qui est mis en oeuvre dans des moteurs o chaque cylindre est pourvu de deux soupapes d'admission reliée respectivement à un collecteur d'admission par deux canaux Le carburant est injecté dans le premier canal et le flux d'air dans le deuxième canal est contrôlé par un papillon d'obturation qui n'est ouvert que par intermittence pour certaines conditions de fonctionnement du moteur, le principe étant d'obtenir une vitesse d'écoulement accrue du mélange carburé admis dans chaque cylindre et donc une puissance accrue. Le procédé selon l'invention permet de réduire les rejets nocifs d'un moteur à combustion interne à quatre temps comportant par cylindre au moins une soupape d'admission reliée à un conduit d'admission de'gaz frais et au moins une soupape d'échappement reliée à un conduit d'échappement de gaz brûlés, par une réinjection d'une fraction du volume des gaz brûlés, dans des conditions favorables quelles que soient les variations des conditions de fonctionnement du moteur. 3 - Le procédé selon L'invention est caractérisé en ce qu'il comporte l'établissement d'un recyclage contrôlé de gaz brûlés au moyen d'un conduit auxiliaire reliant l'intérieur du cylindre avec le conduit d'admission ou le conduit d'échappement par l'intermédiaire d'une soupape auxiliaire commandée de facon que son intervalle de temps d'ouverture soit réparti de part et d'autre du point mort haut d'admission, le recyclage étant contrôlé de facon à réintroduire dans le cylindre durant la phase d'admission, une fraction des gaz brûlés adaptée en permanence aux conditions de fonctionnement du moteur. Suivant un mode préféré de réalisation, on fait communiquer le conduit auxiliaire avec le conduit d'admission. On fait varier par exemple l'importance du recyclage entre une première valeur minimale et une deuxième valeur maximale convenant pour des charges du moteur supérieures à un seuil fixé, en fonction de la vitesse de rotation du moteur et de la dépression régnant à l'admission. La première valeur minimale est choisie par exemple pour des faibles vitesses de rotation et des faibles charges du moteur. Cette valeur minimale peut être choisie aussi pour les fortes charges du moteur. On peut régler le calage de la soupape auxiliaire de manière qu'elle serve aussi pour l'injection de gaz frais. On contrôle le recyclage par exemple au moyen d'un élément d'obturation interposé sur le conduit auxiliaire ou bien encore par une modification de l'intervalle de temps d'ouverture de la soupape auxiliaire. Le recyclage d'une partie des gaz brûlés peut encore être effectué en reliant le conduit auxiliaire au conduit d'échappement. L'application du procédé selon l'invention permet d'obtenir une diminution substantielle des rejets de substances nocives telles que les oxydes d'azote et les hydrocarbures imbrûlés. C'est vrai notamment dans le mode de mise en oeuvre ou le conduit auxiliaire est connecté au conduit d'admission, la fraction recyclée étant prélevée dans le cylindre même, en fin de la période 4 - d'échappement o la proportion de mélange imbrûLé est la plus grande. En outre, dans tous Les cas o la soupape auxiliaire sert aussi pour l'admission dans le cylindre, l'application du procédé selon l'invention conduit à une augmentation du flux d'injection et donc à une amélioration du rendement. Le moteur à combustion interne à quatre temps mettant en oeuvre le procédé comporte au moins un cylindre pourvu d'au moins une soupape d'admission reliée à un conduit d'admission de gaz frais et au moins une soupape d'échappement reliée à un conduit d'échappement de gaz brûlés. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un conduit auxiliaire raccordé avec le conduit d'admission, une soupape auxiliaire pour faire communiquer par intermittence le conduit auxiliaire avec l'intérieur du cylindre, et des moyens de contrôle pour réintroduire dans le cylindre par l'intermédiaire du conduit auxiliaire, une fraction des gaz brûlés adaptée en permanence aux conditions de fonctionnement du moteur. Les moyens de contrôle comportent par exemple un élément d'obturation variable à ouverture commandée interposé sur ledit conduit auxiliaire. Les moyens de contrôle peuvent comporter aussi des organes pour faire varier l'intervalle de temps d'ouverture de la soupape auxiliaire, ces organes étant par exemple du type électro-magnétique. D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du moteur selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés o: la figure 1 montre de facon schématique, une vue partielle d'un cylindre avec sa soupape auxiliaire permettant la mise en oeuvre de l'invention; et la figure 2 montre en fonction de la position angulaire du vilebrequin, les courbes respectives de levée de la soupape d'échappement et des deux soupapes d'admission, la principale et l'auxiliaire, au cours d'un même cycle du moteur. -5 - On voit sur la figure 1 que le cylindre 1 (ou chacun d'eux) dans lequel coulisse un piston 2, communique par une soupape d'échappement 3 avec un conduit d'échappement 4 Il communique aussi par l'intermédiaire d'une soupape principale d'admission 5 avec un conduit d'admission 6 Les moyens de commande permettant l'ouverture cyclique des deux soupapes 3 et 5 sont d'un type connu, à cames par exemple, et ne sont pas représentés. Le moteur selon l'invention se distingue essentiellement par l'existence d'une possible communication auxiliaire contrôlée entre le conduit d'admission et le cylindre 1 Cette communication contrôlée est effectuée au moyen d'un conduit auxiliaire 7 débouchant dans le cylindre 1 par l'intermédiaire d'une soupape auxiliaire 8, et dans le conduit d'admission 6 Un moyen de contrôle tel qu'un boisseau 9 relié à des moyens de commande extérieurs au moteur et non représentés, est disposé dans la conduite auxiliaire 7 L'ouverture de la soupape auxiliaire 8 est par exemple commandée cycliquement comme celle des deux soupapes principales 3 et 5, au moyen d'une came par exemple. Les moyens de commande de la soupape auxiliaire 8 sont agencés pour que son intervalle de temps d'ouverture se produise autour du point mort haut (PMH) d'admission et donc recouvre partiellement les intervalles correspondants des deux soupapes 3 et 5. Ceci permet un échappement à chaque cycle d'une fraction du volume de gaz brûlés par la soupape auxilaire 8 via le conduit 7 vers le conduit d'admission 6, cette fraction étant réintroduite dans le cylindre principalement par la soupape d'admission principale 5 On voit sur la figure 2 que, selon le réglage de la soupape auxiliaire 8 qui déplace plus ou moins sa courbe d'ouverture LR relativement à celle (LE) de la soupape d'échappement 3 entre deux positions extrêmes LR 1, LR 2, la durée de ré-introduction de gaz brûlés est plus ou moins grande. Quand la soupape auxiliaire est commandée par une came, les caractéristiques de son intervalle de temps d'ouverture sont immuables et le contrôle du recyclage est effectué au moyen du boisseau 9. 6 - Suivant un autre mode de réalisation, on utilise une soupape auxiliaire et des moyens de commande permettant de faire varier la "fenêtre" d'ouverture aussi bien en durée qu'en position et dans ce cas, le moyen d'obturation 9 peut être éventuellement supprimé. A titre d'exemple, on peut répartir les fenêtres d'ouverture des trois soupapes par rapport au point mort haut (PMH) et du point mort bas (PMB) et par référence à la position angulaire ( O v) du vilbrequin, comme indiqué ci-dessous. Les différents calages sont donnés pour une même hauteur minimale de levée des soupapes de 0,7 mm par exemple, les trois soupapes étant levées par des moyens conventionnels à cames. : Admission / 44 ouverture 1 v avant PMH: : fermeture 460 v après PMB: : Echappement ' 36 ouverture 43 v avant PMB: : fermeture 3 v avant PMH: :: :3 ème soupape V 16 ouverture 70 v avant PMH: : 70 v après PMH: La hauteur de levée maximale de la soupape auxiliaire 8 est différente de celle des deux soupapes principales 3, 5. Les valeurs ci-dessus peuvent être modifiées lorsque l'on utilise le procédé selon l'invention pour un moteur o chaque cylindre comporte deux soupapes d'admission avec un conduit d'admission 6 débouchant tangentiellement dans le cylindre pour obtenir par turbulence (swirl), un meilleur remplissage et un autre conduit dit neutre que l'on contrôle par un boisseau ou volet 9 Dans ce cas, le 7 - conduit tangentiel est le conduit 6, et Le conduit neutre est le conduit auxiliaire 7 avec son volet ou boisseau d'obturation 9 comme décrit précédemment Le volet 9 est fermé pour les faibles charges et la soupape d'admission principale 5 est ouverte un peu avant le PMH et fermée au voisinage du PMB De même, on répartit la fenêtre d'ouverture de la soupape auxiliaire 8 entre 40 v avant le PMH et 50 v après le PMB. Le volet ou boisseau de contrôle 9 permet de moduler le débit de gaz brûlés réadmis pendant le temps d'ouverture de la soupape auxiliaire On peut choisir par exemple les réglages suivants: très faibles charges et ralenti (PMI 4 bars): volet ouvert On peut aussi dans certains cas, fermer le volet de contrôle quand le moteur fonctionne à pleine charge. Entre ces deux états, un système de contrôle module l'ouverture du volet en fonction du régime du moteur et de la dépression à l'admission. Le procédé selon l'invention s'applique principalement aux moteurs à quatre temps à allumage commandé, éventuellement suralimentés et éventuellement pourvus d'un système d'injection directe. Dans tous les cas, on obtient une diminution très sensible dans les gaz d'échappement, du taux d'oxyde d'azote et des hydrocarbures imbrûlés et en même temps, un meilleur remplissage des cylindres. Dans le mode de mise en oeuvre du procédé qui a été décrit, le recyclage des gaz brûlés était effectué en reliant le conduit auxiliaire 8 au conduit d'admission On ne sortirait pas du cadre de l'invention, toutefois, en reliant ce conduit auxiliaire au conduit d'échappement, les gaz brûlés étant prélevés après leur sortie du cylindre. -8 - R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé pour réduire les rejets nocifs d'un moteur à combustion interne à quatre temps comportant par cylindre au moins une soupape d'admission ( 5) reliée à un conduit ( 6) d'admission de gaz frais et au moins une soupape d'échappement reliée à un conduit ( 4) d'échappement de gaz brûlés, par une réinjection d'une fraction du volume de gaz brûlés, caractérisé en ce qu'il comporte l'établissement d'un recyclage contrôlé de gaz brûlés au moyen d'un conduit auxiliaire ( 7) reliant l'intérieur du cylindre avec un desdits conduits d'admission ( 4) ou d'échappement, par l'intermédiaire d'une soupape auxiliaire ( 8) commandée de façon que son intervalle de temps d'ouverture soit réparti de part et d'autre du point mort haut d'admission, le recyclage étant contrôlé de facon à réintroduire dans le cylindre durant la phase d'admission, une fraction des gaz brûlés adaptée en permanence aux conditions de fonctionnement du moteur. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit auxiliaire communique avec le conduit d'admission. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on fait varier l'importance dudit recyclage entre une première valeur minimale et une deuxième valeur maximale convenant pour des charges du moteur supérieures à un seuil fixé, en fonction de la vitesse de rotation du moteur et de la dépression régnant à l'admission. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première valeur minimale est choisie pour des faibles vitesses de rotation et des faibles charges du moteur. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite position de fermeture est choisie pour les fortes charges du moteur. 6 Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'on règle le calage de la soupape auxiliaire ( 8) de manière qu'elle serve aussi pour l'injection de gaz frais. 9 - 7 Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ledit recyclage est contrôlé au moyen d'un élément d'obturation ( 9) interposé sur le conduit auxiliaire ( 7). 8 Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ledit recyclage est contrôlé par une modification de l'intervalle de temps d'ouverture de la soupape auxiliaire ( 8). 9 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit auxiliaire ( 8) communique avec le conduit d'échappement. Moteur à combustion interne à quatre temps comportant au moins un cylindre pourvu d'au moins une soupape d'admission ( 5) reliée à un conduit ( 6) d'admission de gaz frais et au moins une soupape d'échappement ( 3) reliée à un conduit ( 4) d'échappement de gaz brûlés, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un conduit auxiliaire ( 7) raccordé avec le conduit d'admission, une soupape auxiliaire ( 8) pour faire communiquer par intermittence le conduit auxiliaire ( 7) avec l'intérieur du cylindre, et des moyens de contrôle pour réintroduire dans le cylindre par l'intermédiaire du conduit auxiliaire ( 7), une fraction des gaz brûlés adaptée en permanence aux conditions de fonctionnement du moteur. 11 Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comportent un élément d'obturation variable ( 9) à ouverture commandée interposé sur ledit conduit auxiliaire ( 7). 12 Moteur selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comportent des organes pour faire varier l'intervalle de temps d'ouverture de la soupape auxiliaire ( 8). 13 Moteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits organes sont du type électro-magnétique.