Brevet FR2687730A1 — publié le 19930827

DISPOSITIF D'INTRODUCTION DE ADDITIONNELS POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne un système d'introduction de gaz additionnels pour moteur à combustion interne équipant notamment les véhicules automobiles. Les normes concernant la pollution et la consommation des moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles, se sévérisent chaque jour d'avantage dans l'ensemble des pays industrialisés. L'industrie automobile est donc aujourd'hui occupée à trouver des solutions techniques pour- répondre à ces obligations et ce, sans trop pénaliser ni les performances des moteurs ni leur prix de revient. Une technique connue de dépollution des moteurs à combustion interne consiste à opérer la recirculation des gaz d'échappement afin de diminuer les oxydes d'azote. Cette technique consiste à réinjecter une petite partie des gaz brûlés dans le collecteur d'admission du moteur, ce qui a pour effet de réduire la quantité de gaz à brûler et donc d'abaisser la température de combustion, d'où une diminution de la production des NOx ou oxydes d'azote. La dilution des gaz frais aspirés par les gaz brûlés peut être obtenue en augmentant le croisement des soupapes d'échappement et d'admission. Toutefois, ce procédé, appelé "recirculation interne", particulièrement simple à mettre en oeuvre présente l'inconvénient rédhibitoire de générer une remontée importante du taux d'hydrocarbures imbrûlés à faible charge. De ce fait la recirculation interne ne peut être utilisée sauf à recourir à des systèmes de distribution variable permettant la modification du calage des soupapes suivant le régime moteur. Le procédé généralement adopté est donc la "recirculation externe" des gaz d'échappement à l'aide d'une soupape pilotée R.G.E. (Recyclage des Gaz d'Echappement) fermant ou ouvrant une canalisation reliant le collecteur d'échappement et le collecteur d'admission. La soupape R.G.E. permet d'injecter l'admission une quantité définie de gaz prélevés à l'échappement suivant les conditions de fonctionnement du moteur. Les inconvénients de ce système sont la complexité, le coût ainsi que les difficultés de pilotage. Une autre technique connue pour diminuer la pollution des moteurs à combustion interne est la technique dite de post-combustion. La postcombustion consiste à provoquer une oxydation du monoxyde de carbone CO et des hydrocarbures HC imbrûlés contenus dans les gaz d'échappement. Cette combustion hors des cylindres est possible si la température est suffisamment élevée, elle doit donc se faire près des soupapes d'échappement et dans certaines plages de fonctionnement du moteur : hors démarrage à froid par exemple. La mise en oeuvre de la post-combustion est obtenue soit en insufflant de l'air frais sous pression directement dans les tubulures du collecteur d'échappement, soit encore en utilisant un réacteur thermique. L'introduction d'air frais à l'échappement présente également l'intérêt supplémentaire d'assurer l'amorçage des catalyseurs pour les moteurs équipés de pots catalytiques. La mise en oeuvre simultanée, sur un même moteur de systèmes de recirculation externe des gaz d'échappement et de post-combustion par injection d'air frais à l'échappement, comme évoqué dans la demande de brevet français nO 2.665.382 permet de réduire sensiblement la proportion de produits polluants libérés par les gaz d'échappement. Toutefois la juxtaposition de tels dispositifs nécessitent des montages complexes et coûteux. Le but de la présente invention est de proposer un nouveau type de moteur particulièrement peu polluant, équipé d'un dispositif d'introduction de gaz additionnels combinant de manière particulièrement astucieuse, à la fois un système de Eecirculation des gaz d'échappement et un système d'introduction d'air frais à l'échappement pour obtenir notamment une post-combustion. Les moyens d'introduction, respectivement de gaz d'échappement à l'admission et d'air frais à l'échappement, mis en oeuvre par le dispositif selon l'invention, coopèrent pour former un ensemble simple et peu onéreux. Pour ce faire, le moteur selon l'invention est du type comportant une chambre de combustion munie d'au moins un conduit d'admission et d'au moins un conduit d d'échappement, ces conduits débouchant dans la chambre par des sièges sur lesquels peuvent s'appliquer des soupapes manoeuvrées par des cames de commande. Le dispositif d'introduction des gaz additionnels selon l'invention comprend donc à la fois un système pour assurer l'introduction des gaz d'échappement à l'admission et un système pour introduire de l'air frais à l'échappement. Le dispositif d'introduction est plus particulièrement caractérisé en ce que d'une part le système de recirculation des gaz d'échappement est définie par les cames de commande qui imposent un fort recouvrement des périodes d'ouvertures des soupapes d'admission et d'échappement, et en ce que d'autre part le système d'introduction de l'air frais, qui comprend des moyens de refoulement de l'air sous pression communicant avec une buse d'injection d'air débouchant dans le conduit d'échappement au voisinage de la soupape d'échappement, comporte des moyens de contrôle du débit d'air pilotés à partir de moyens de commande, de façon à permettre non seulement la postcombustion des gaz d'échappement mais encore le remplissage de la chambre de combustion quand les conditions de fonctionnement du moteur empêchent un remplissage en air correct de la chambre de combustion par le seul conduit d'admission. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens de contrôle du débit d'air sont constitués par une électrovanne disposée dans le circuit d'amenée reliant les moyens de refoulement de l'air à la buse. Selon une variante de réalisation de l'invention, les moyens de contrôle du débit d'air sont constitués par les moyens de refoulement de l'air formés par une pompe à air à débit variable. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de commande pilotant des moyens de contrôle du débit d d'air injecté à l'échappement comprennent un système électronique qui détermine les caractéristiques de l'injection d'air (phasage, durée,..) opérée dans le conduit d'échappement par la buse à partir des valeurs d'un ou plusieurs paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur, la quantité d'air injectée étant ajustée pour réaliser la postcombustion des gaz d'échappement et dans certaines conditions pour contribuer au remplissage de la chambre de combustion. Ces conditions, qui sont notamment les fonctionnements du moteur au ralenti à froid ou à chaud et aux faibles charges, correspondent aux situations ou le collecteur d'admission est en dépression par rapport au collecteur d'échappement, le fort croisement entrainant alors un reflux de gaz d'échappement excessif à l'admission qui empêche un remplissage correcte de la chambre de combustion. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de commande desdits moyens de contrôle du débit d'air sont constitués par le système électronique de contrôle moteur, ce dernier déterminant parallèlement aux caractéristiques de l'injection de l'air à l'échappement, la quantité de carburant nécessaire en tenant compte de la part du débit d'air injecté à 11 échappement qui participe au remplissage moteur. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, présenté à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure 1 est une vue partielle, en coupe transversale, du moteur à combustion interne selon l'invention ; Conformément à la figure 1, seuls les éléments du moteur nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. La culasse du moteur, généralement référencée (1), comprend un conduit d'admission (2) et un conduit d'échappement (3) débouchant dans une même chambre de combustion (10). Les orifices de ces conduits (2),(3) sont munis de sièges rapportés sur lesquels peuvent s'appliquer des soupapes (4) , (5) solidaires de tiges montées coulissantes dans des guides de soupape. Les soupapes (4),(5) sont manoeuvrées respectivement à partir de cames de commandes (6),(7) portées par un ou plusieurs arbres à cames. Le choix des cames est opéré de façon à permettre un fort recouvrement des périodes d'ouverture des soupapes d'admission (4) et d'échappement (5), c'est-à-dire que les soupapes d'admission et d'échappement restent ouvertes en même temps. On choisi donc pour ce faire des lois de levée imposant entre les instants de RFE (retard fermeture échappement) et de AOA (avance ouverture admission), un croisement supérieur à 80" vilebrequin. Le conduit d'échappement (3) est par ailleurs équipé d'un système de post-combustion par insufflation d'air de type "Man-Air-Ox" (oxydation dans le collecteur par l'air). Ce système se compose, dans l'exemple de réalisation décrit, d'une pompe à air, entraînée par le moteur, qui alimente une buse d'injection, débouchant dans le conduit d'échappement (3) au voisinage de la soupape d'échappement, en air frais sous pression. La conduite d'amenée de l'air mettant en communication la pompe et la buse est pourvue de moyens de contrôle du débit d'air, en l'occurrence une électrovanne (9) pilotée par des moyens de commande qui permettent d'ajuster au mieux du fonctionnement du moteur le débit d'air ainsi injecté à l'échappement Ces moyens de commandes sont constitués, dans le mode de réalisation de l'invention décrit, par le système électronique de contrôle moteur (ou calculateur d'injection). Ces moyens de commande permettent de déterminer les caractéristiques de l'injection d'air, phasage du début de l'injection par rapport à la levée de la soupape d'échappement ainsi que la durée de l'injection, à partir des valeurs d'un ou plusieurs paramètres représentatifs du fonctionnement moteur. Le système électronique de contrôle moteur est à même d'adapter la quantité d'air à l'échappement pour satisfaire deux objectifs distincts : provoquer la post-combustion des gaz d'échappement et dans certaines conditions de fonctionnement du moteur participer au remplissage de la chambre de combustion. En effet dans certaines conditions de fonctionnement du moteur et plus particulièrement lors de fonctionnement à faible charge où le papillon des gaz, non figuré, obture quasiment le conduit d'admission (2), le croisement excessif des soupapes d'admission (4) et d'échappement (5) provoque un important refoulement des gaz d'échappement vers le conduit d'admission du fait de l'inversion des pressions. Il en résulte un très mauvais remplissage de la chambre de combustion et donc un accroissement de la pollution. Le système d'admission d'air à l'échappement permet de pallier à ces inconvénients en insufflant dans le conduit d'échappement à travers la soupape d'échappement ouverte une quantité d'air supplémentaire pour assurer le bon remplissage de la chambre de combustion (10). Ainsi, conformément au dispositif selon l'invention, lors des régimes de fonctionnement à faible charge tels que les régimes de ralenti à froid ou à chaud, la charge moteur ou débit d'air est pilotée à la fois par le débit d'air à l'admission via le conduit (2). Le phasage et le temps d'injection de l'air à l'échappement sont déterminés expérimentalement au banc d'essai et sont enregistrés sous forme de cartographie dans le calculateur. Parallèlement au contrôle du débit d'air admis à l'échappement par le système de postcombustion, le calculateur d'injection pilote la richesse du mélange combustible injectée dans la chambre (10). La détermination de la quantité de carburant doit en effet tenir compte de toute la quantité d'air pénétrant dans la chambre de combustion (10). Il est ainsi possible de procéder au calcul du débit d'air entrant dans la chambre de combustion (10) en prenant en compte une information pression collecteur d'admission et une information pression pompe à air. Il est également possible de prendre en compte pour opérer le bouclage de la richesse, la mesure du couple déduite de la rotation instantanée du vilebrequin. Ainsi le dispositif selon l'invention, permet le recyclage interne des gaz d'échappement en évitant, grâce à l'injection d'air piloté à l'échappement, la remontée du taux d'hydrocarbure à bas régime et une perte de rendement élevée. La mise en oeuvre du dispositif est extrêmement simple et peu onéreux. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. Ainsi il est possible de contrôler le débit d'air directement à partir de la pompe à air. en utilisant par exemple une pompe à air à débit variable. Ainsi il est possible d'utiliser un système électronique de commande spécifique dédié au dispositif d'introduction des gaz additionnels. REVENDICATION8 [13 Dispositif d'introduction de gaz additionnels pour moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion (10) munie d'un conduit d'admission (2) et d'un conduit d'échappement (3), ces conduits débouchant dans la chambre de combustion (10) par des sièges sur lesquels peuvent s'appliquer des soupapes (4,5) manoeuvrées par des cames de commande (6,7), du type comportant un système pour assurer l'introduction des gaz d'échappement à l'admission et un système pour introduire de l'air frais à l'échappement, caractérisé en ce que d'une part le système de recirculation des gaz d'échappement est défini par les cames de commande (6,7) qui imposent un fort recouvrement des périodes d'ouvertures des soupapes d'admission (4) et d'échappement (5), et en ce que d'autre part le système d'introduction de l'air frais, qui comprend des moyens de refoulement de l'air sous pression communicant avec une buse d'injection d'air débouchant dans le conduit d'échappement (3) au voisinage de la soupape d'échappement (5), comporte des moyens de contrôle (9) du débit d'air pilotés à partir de moyens de commande, de manière à permettre non seulement la post-combustion des gaz d'échappement mais encore le remplissage de la chambre de combustion (10) quand les conditions de fonctionnement empêchent un remplissage en air correct par le seul conduit d'admission (2). (2 Dispositif d'introduction de gaz additionnels selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de contrôle du débit d'air sont constitués par une électrovanne (9) disposée dans le circuit d'amenée reliant les moyens de refoulement de l'air à la buse. F31 Dispositif d'introduction de gaz additionnels selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de contrôle du débit d'air sont constitués par les moyens de refoulement de l'air formés par une pompe à air à débit variable. t4] Dispositif d'introduction de gaz additionnels selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de commande desdits moyens de contrôle (9) du débit d'air comprennent un système électronique qui détermine les caractéristiques de l'injection d'air (phasage, durée,..) opérer dans le conduit d'échappement (3) par la buse à partir des valeurs d'un ou plusieurs paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur, ladite injection d'air étant ajustée pour réaliser la post-combustion des gaz d'échappement et dans certaines conditions pour contribuer au remplissage de la chambre de combustion (10). [5] Dispositif d'introduction de gaz additionnels selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites conditions sont notamment les fonctionnements du moteur au ralenti, à froid ou à chaud, et aux faibles charges. [6] Dispositif d'introduction de gaz additionnels selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de commande desdits moyens de contrôle (9) du débit d'air sont constitués par le système électronique de contrôle moteur, ce dernier déterminant parallèlement aux caractéristiques de l'injection de l'air à l'échappement, la quantité de carburant nécessaire en tenant compte la part du débit d'air injecté à l'échappement qui participe au remplissage moteur.