Brevet FR2703107A1 — publié le 19940930

Dispositif permettant le contrôle du remplissage et de la combustion stratifiée dans un moteur à combustion interne. La presente invention conceme des dispositifs permettant de contôler et d'organiser le remplissage et la combustion stratifiée, dans un cylindre de moteur à combustion inter ne, avec une proportion variable selon la charge et d'autres paramètres qui seront présentés plus loin, de gaz d'échappement recyclés d'une part, et de mélange carburant /comburant d'autre part. Ces dispositifs permettent une pression de compression pratiquement constante et indépendante de la charge et du régime du moteur. Les normes antipollutions etdeconsommations chaquejourpins contiaignantesobli- gent à la mise au point de dispositifs toujours plus élabores. Les dispositifs existants recyclent une partie des gaz d'échappement: Soit par le conduit d'admission, ce qui réchauffe le dit conduit, dilate les gaz combustibles introduits à la suite et ne permet pas la séparation dans le cylindre des deux gaz nécéssaires à la stratification. Soit par une valve ayant son orifice dans Ia chambre de combustion entre les soupapes et la bougie d'allumage, compliquant et affaiblissant la dite chambre. De plus, la séparation des gaz est pas non plus assurée et le volume de gaz recycle est faible . Les dispositifs à catalyse ins;nduits sur les lignes d 'échappement sont tres couteux , nécessent du carburant particulier sous peine de destruction,leurs durée de vie est incertaine, et leurs installation réduit le rendement dans la plupart des cas. L'amélioration de la com bustion est un des axes de recherche perrmettant de réduire leurs emplois. Le remplissage à charge faible ou partielle est toujours incomplet impliquant une pres sion de compression faible et une importante perte de rendement, ceçi dans les moteur à combustion interne utilisant un cycle de fonctionnement autre que le cycle Diésel Les buts de la présente invention sont: - Augmenter et contrôler le rendement des moteurs à combustion interne,par variations des lois de levées des différentes soupapes autorisant la suppression des moyens de contrô- le de I 'air admis dans le cylindre, donc sans pertes de rendement par pompage, à touts les charges et tout les régimes. Réduire la pollution et la consommation par réintroduction d'un volume variable de gaz d'échappement dans le cylindre, au moyen d'une ou plusieurs soupapes ayantune fonction de recyclage ou d' echappement selon les lois de levees utilisées, , ces deenières contrôlant également en continu, selon les besoins du moteur, les soupapes d'admissions et d 'échappement autorisant ainsi le remplissage complet du cylindre, à toutes les char ges et tout les régimes ,réalisé par le contrôle du volume de gaz recyclé, et permettent une pression de compression élevée et sensiblement constante sur toute les plages de charges et de régimes . il est d 'autres parts tes avantageux pour le fonctionnement optimum du dispositif se lon la présente invention, sanstoutefois que cela soit indispensable, d'utiliser les soupapes à ouvertures intérieures dont la conception et le fonctionnement de prinçipe sont décrits dans le brevet n 9302474 car les soupapes classiques ouvrant dans le cylindre ne peu vent, du fait de leurs prinçipe de levee, imprimer aux gaz pénétrant dans le cylindre une trajectoire suffisament précise permettant de contrôler la formation du remplissage stratifié. Conformément à l'invention, les dispositifs gérant le remplissage du cylindre, la for mation et la régulation de la combustion stratifiee sont caractérisés par: - La présence dans la chambre de combustion une ou plusieurs soupapes 'd1 admis sions 52 dont la loi de levée sera décrite plus avant. - La présence d'une ou plusieurs soupapes d'échappement 43 dont la loi de levée sera décrite plus loin. - La présence d'une ou plusieurs soupapes de recyclage des gaz d' échappement 60 qui seront utilisées en tant que telles lorsque le moteur fonctionnera en dessous d'un seuil de charge et de régime préétabli. Les dites soupapes de recyclage 60 seront utilisées comme soupapes d'échappement, lorsque le moteur fonctionnera au dessus du seuil prétabli cité çi- des sus, par modification de leurs lois de levée qui vont etre décrite çi-aprés. - L'utilisation de lois de levées pour les soupapes d'admissions, d'échappement et de recyclage, variable sans contrainte de dépendance entre leurs valeurs, adaptées aux différents régimes et états de charges du moteur en fonctionnement et permettant de contrôler la puissance développée par le dit moteur sur toute l'étendue de sa plage de fonctionnement. Une ou plusieurs de ces lois de levée de soupapes (par exemple d'échappement) pourront n'être pas varialbe.Ces lols de levées seront décritent plus avant. - Le contrôle de la puissance développée parle moteur sur toute 1 'étendue de sa plage de fonctionnement, sans éléments de dosage du volume de comburant admis dans le cylindre par la ou les soupapes 52 et le ou les conduits d'admission 45, de l'entrée du systéme de filtration ou d'admission du comburant, jusqu'a la ou les dites soupapes 52. - Le volume ,le débit ou les résonances du comburant admis dans le cylindre parla ou les soupapes52 et le ou les conduits d'admission 45, de l'entrée du systèrne de filtration ou d'admission jusqu'a la au les dites soupapes d'admissions 52 pourront etre contrôlés par di vers dispositifs sans que cela ai une incidence quelconque sur le principe de fonctionne ment de la réalisation selon l'invention. - L'utilisation recommandees des soupapes à ouvertures Intérieures dans une autre option de réalisation selon le brevet n 9302474 çité précédemment et çi-dessous. - L'utilisation d'une ou plusieurs centrale de contrôle permettant la gestion de l'injection, des lois de levées des soupapes, et de l'allumage. Ces centrales de contrôles électroni ques recevront des infomiatrons en provenance du moteur et ne font pas partie de l'inven - tion. Les descriptions du fonctionnement des soupapes à ouverture intérieures ,du dispositifèlectrohydraulique de mande des dites soupapes et de leurs lois de levée , ainsi que de leurs caractéristiques, selon le brevet n 9302474 déposé à Marseille le 25 février 1993,du même demandeur, Jont donne' à titre d 'exemples de réalisations non limives de rinven - tion des lignes 30 à 39 de la page 3,dans la totalitée des pages 4,5,6, jusqu'a la ligne 4 de la page 7, et dans la page 9 des lignes 2 à 10. Ces descriptions non limitatives sont complétées par les figures 1,2, et de 6 à 9 annexées au dit brevet. Ces descriptions non limitative de la realistion selon le brevet ciessus sont applicables ,aprés adaptations aux non limitative de la présente invention en cours de description. D'autres caratéristiques et avantages de la présente invention sont mis en évidence dans la suite de la description donnée à titre d'exemples non limitatifs d'un mode de réalisation de l'invention en référence aux dessins de prinçipe annexés çi-aprés dans lesquels: la figure I est une vue en coupe d ' un ensemble cylindre chambre de combustion, conduit et soupape d'admission 52 fermée, conduit et soupape 60 en fonction de recyclage ainsi que du mouvement giratoire des gaz d' échappement en cours de recyclage. La figure 2 reprend le même sciréma mais la soupape 60 de recyclage est en position fermée et la soupape 52 en fonction d 'admission du mélange combustible dont le mouve ment giratoire et les fronts en contact sont également représentés. Pour la clartée des figures, la ou les soupapes d'échappement 43 ne sont pas représentées. Les figures 3 et 4 décrivent les lois de levée et les instants d'injection à faible et moyen ne charge. Les figures 5 et 6 décrivent les meme caractéristiques,mais pour la pleine charge et ega- galement pour une charge nulle. (ex:frein moteur.) la figure 7 décrit les caractéristiques des durées d' injection et du titre de la richesse en fonction du régime et de l'état de charge du moteur déterminé parla position de r accélé - rateur et des informations en provenance des sondes moteur qui renseignent la ou les cen trales de contrôle électronique comme décrit çi-aprés. La figure 8 décrit le rapport des solumesde gaz recyclés et du mélange combustible présent dans le cylindre au début du temps de compression et pourun état de charge choisi arbitrairement sur l'exemple de cette figure mais pouvant varier dans de larges proportions. Toutes les éléments des figures sont donnés à titre d'exemples non limitatifs de réalisations de l'invention. Dans la description de la réalisation selon l'invention, la culasse sera pourvu au mini mum d'une soupape d'admission 52 permettant l'introduction du mélange combustible, d au moins une soupape d 'échappement 43 non représentée pour la clartée de la figure et permettant l'évacuation des gaz brulés, ,et d'au moins une soupape 60 de recyclage d'une partie variable des gaz d'échappement chassés auparavant hors du cylindre au moyen de la soupape 43 d'échappement non représentée. Le nombre des soupapes 52,43, et 60 pourra être different de celui de l'exemple non limitatif de la réalisation selon l'invention. A l'issue du temps moteur, la levée de la soupape d'échappement 43 à l'instant t1 d'avance ouverture échappement permettra l'évacuation des gaz brulés du cylindre vers la ligne d'échappement par l'intermédiaire du conduit d'échappement 61 .A l'instant t2 situé avant le point mort haut, la levée de la soupape de recyclage SQ permettra à une partie des gaz d échappement brulés en cours d éjection dans la ligne d 'évacuation située entre la soupape 43 et l'extrémité opposée de la dite ligne, d'être réintroduit dans le cylindre, aidés en cela parla dépression crée au niveau du siege 13 parl'inertie des gaz d' échappement dans le conduit 61,jusqu'a l'instant t3 de retard fermeture échappement ou le mouvement descendant du piston 63 augmentera la dépression, amplifiant r entrée dans le cylindre des gaz recyclé par le conduit 62 et la soupape de recyclage 60 . .L'angle d 'enttée des gaz dans le cylindre, les parois du cylindre, la forme du sommet de piston 63 imposeront au front des gaz recyclés un mouvement giratoire permettant leurs enroulement centrifuge et leurs concentration prés du sommet du piston comme décrit figure 1. L'introduction de gaz recyclé se pousuivra jusqu'a l'instant t4 qui correspond au retard fermeture recyclage de la son pape 60 de recyclage. L'instant t5 marquera le début de la durée d' injection du combustible dans le conduit d'admission. L' injecteur sera positionné dans le conduit d'admission à une distance de la soupape d'admission 52 permettant au début du volume de mélange combustible, parcourant le dit conduit, d'être suffisament homogène au niveau du siège d'admission 64 à l'instant t7 de retard ouverture admission de la soupape 52 permettant l'introduction dans le cylindre du dit mélange combustible .Les instants tSet17seront séparés parun temps varible t6 qui sera adapte selon la charge, dont la valeur pourra erre donnee par la position de la pédale d' accélérateur, qui sera transmise ainsi que les valeurs de régime, de température d'air d'admission, et d'eau de refroidissement du moteur le cas échéant, à une ou plusieurs centrale de contrôle électro nique de façon maintenant classique dans l'automobile. La modification du dit temps fera varier le titre de richesse du mélange combustible admis dans le cylindre par la sou pape 52 à l'instant t7 .Les caractéristiques du ou des injecteurs ainsi que leurs position nement seront déterminé pour que la fin du volume de mélange combustible ponétrant dans le cylindre à l'instant t 10 de retard fermeture d'admission ai un titre de richesse plus élevé que le mélange combustible pénétrant dans le cylindre à l' instantt7. Le dit mélange, occupant alors progressivement entre t7 ettl0 l'espace laissé libre dans le cylindre par les gaz recyclés avec un mouvement giratoire inverse des dits gaz recyclés .Ce mouvement est induit par la forme de la chambre de combustion parois du cylindre, et l'angle d'entrée des gaz recyclés eux-même qui permettent au mélange combustible son enroulement centrifuge comme décrit dans la frire un.La position des soupapes et l'angle d'entrée des différents gaz dans le cylindre sont trés importants,pour obtenir que les enroulements centrifuges et les fronts des gaz combustibles et recyclés s'opposent par effet de meules sans se mélanger, comme représenté sur la figure de principe numero 2 qui n'est qu 'un exemple non limitatif de la réalisation selon l'invention.Ces angles et positions seront déterminés selon le type et l'emploi du moteur. L'instant t8 marque la fin de la durée d'injection. Le temps t9 qui separera les instants t8 et t10 sera déterminé pour respecter les critères de répartition du titre de richesse dans le volume du mélange combustible comme décrit pour le temps t6 çi-avant. L'instant t 10 sera le point de retard fermeture admission, la soupape 52 d'admission venant plaquer sur son siège 64 isolant le conduit 45 de la chambre de combustion permettant ainsi la compression, par la remontée du piston vers son point mort haut ,du mélange combustible admis dans le cylindre par la soupape 52, entre les gaz recy clés admis par la soupapes 60 et la chambre de combustion,jusqu'au point d'allumage t11 marquant le début de la combustion.Entrainés par le mouvement giratoire, le volume des gaz frais ayant pénétré à l'instant t8 dans le cylindre aura le titre de richesse le plus élevé et se trouvera au sommet des couches formées dans le cylindre par le différents gaz, la position ou se trouve la bougie d'allumage, c'est à dire au centre de la chambre de combustion en 66. Cette portion de gaz, dont l'inflamation est façilité par son titre de richesse plus élevé enflammera prog:essivement les couchesdemélangeàtitredericheeplus faible gtuée à l'entour.Ce procéssus de combustion se développera donc de la partie la plus chaude de la chambre de combustion situé prés de la bougie et se propagera dans la masse de mélange combustible la pression de compressOn élevée,per@ise parle remplis sage complet du cylindre, autorise une bonne combustion du faible volume de mélange combustible sous une pression élevée permise par le remplissage complet du cylindre.D' '- autres données permettant d'affiner la gestion du moteur pourront être utilisées, la description çi- dessus n 'étant qu' un exemple d'un mode de réalisation non limitatif Les gaz recyclés permettent une pollution moindre par diminution de la concentration d'oxygène dans le cylindre,engendrant une baisse de la température de combustion et du taux d'oxided'azote A l'instant t11,la soupape d'échappement 43 quittera sonsiege 13 permettant aux gaz échappement brulés de soriirdu cylindre par le conduit 61 et le début d'un nouveau cycle, comme décrit çi-dessus et sur les figures 3 à 6 pour exemple non limitatif de la réalisation selon l'invention. Lorsque le régime et la charge dépasseront un seuil préetabli, défini en fonction du type et de l'utilisation du moteur, et gérer par Ia ou les centrales de contrôle électronique, la sou pape 60 de recyclage fonctionnera en soupape d'échappement classique, par variation de la loi de distribution, augmentant la perméabilité de la culasse et la capacité d'évacuation des gaz brulés. Les lois de levée de cette phase de fonctionnement du moteur sont données comme exemple d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention sur la figure 5. Dans cette phase de fonctionnement,l'instant t14de début d'injection précède d'un temps t15 l'instant t16 d'avance ouverture admission. La dite soupape d'admission 52 s'ouvre, introduisant le mélange combustible dans le cylindre, profitant de la dépression produite par les gaz brulés évacués par le con duits 61 et la soupape 43d'échappement et également par le au les conduits 62 et la au les soupapes 60 servants dans cette phase de fonctionne ment, de soupape d 'échappement classique per:Iiettant d' évacuer également les gaz bru lés jusqu'a l'instant t17 de retard fermeture d'échappement. L'instant t18 marque la fin du temps d'injection, letemepst t19 séparant le dit instant de l'instant t20.Le dit instant t20 représentant le point de retard fermeture d'admission et le début d'un nouveau temps de compression le remplissage du cylindre pourra etre composé uniquement de comburant, de gaz recyclés, ou de mélange combustible selon les lois de soupapes et d'injection adoptées.La variation du temps d'injection compris entre t5 et t8 ou t14 et t18, ainsi que celle des valeurs de lois de levée de soupapes modifiera le @ vlphune de mélange combustible admis dans le cylindre, mais pas la répartition du titre de richesse dans ce volume, ni leti tre i-meme La modification du débit du ou des injecteurs, dansuntemps compris entre t5 etts ou t14 ettl8 nevariantpas5toutes choses égales par ailleurs, fera varier le titre de richesse du mélange admis dans le cylindre, mais ne changea ni le volume du dit mélange admis ni la répartition du titre de richesse dans le dit volume. Il résulte de la présente forme de la réalisation donnée comme exemple non limitatif, qu'il est possible de contrôler le volume du mélange combustible ,donc la puissance,la pollution et la consomation de carburant, par la formation d'un remplissage et d'une combus tion stratifié dans un @ cylindre de moteur à combustion inteme .Ai grâce a la gestion du volume variable de gaz d'échappement recyclés permettant un remplissage et une pression de compression pratiquement constants et proches de leurs maximuns à toutes les charges et régimes, à l'aide d'un dispositif d'injection adapté,pulvérisant le carburant dans le comburant circulant dans le ou les conduits d'admission libre de tout organes de contrôle du volume de comburant en amont de la soupape d'admission dans cette forme de réalisation de invention non limitative, et par l'utilisation de lois de levée adaptées à la fonction des différentes soupapes . D'autre part le faible encombrement et la souplesse d'installion permtent la dispo sition optimum de la réalisation sur le moteur en fonction de sont côut et de son utilisation. La réalisation selon la présente invention est destinée à tous les moteurs à combustion interne et notament de véhicules. REVENDICATIONS 1 ) Dispositifs permettant le contrôle du remplissage et de la combustion stratifiée dans un moteur à combustion interne caractérisé par le contrôle du recyclage de tout ou Par tie des gaz d 'échappement, par la modification des lois de levée des soupapes de recy- clages ,d'admission et d'échappement ,et la modification des lois d'injection de carbu rant durant le fonctionnement du moteur, et ced | sur toute l'étendue des plages de charge et de régime. 2 ) Dispositifs permettant le oentrôle du remplissage et de la combustion stratifiée dans un moteur à combustion interne selon la revendication un caractérisé en ce que le dit gaz d'échappement est recyclé par un ou plusieurs conduits 62 et la ou les soupapes 60 de recyclage dont la loi de levée peut - être modifiée durant le fonctionnement du mo- teur. 3 ) Dispositifs permettant le contrôle du remplissage et de la combustion stratifiée dans un moteur à combustion interne selon la revendication un et deux caractérisé en ce que le ou les conduits 62 et la ou les soupapes 60 contrôlent le recyclage de tout ou parie des gaz d 'échappement à 1 'intérieur de plages de charges et de régimes preetablies . 4 ) Dispositifs permettant le contrôle du remplissage et de la combustion statifiée dans un moteur à combustion interne selon la revendication un à trois caractérisé en ce que le ou les conduits 62 et laou les soupapes 60 contrôlent 1 'évacuation vers 1 'extérieur du cylindre de tout ou partie des gaz d' échappement en dehors des plages de charges et de régimes préétablies citées lors de la revendication trois. 5 ) Dispositifs pemiettant le contrôle du reaplissage et de la combustion stratifiée dans un moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications un à quatre caractérisé en ce que le ou les conduits 62 et la ou les soupapes 60 ont alternativement fonctions de recyclage de tout ou parties des gaz d'échappement ou d'évacuation des dits gaz d'échappement à lextérieur du cylindre à 1 issue de la combustion Ce change ment de fonction ] est provoqué par la modification des lois de levées de soupapes .