Brevet FR2744170A1 — publié le 19970801

Moteur diesel à 4 temps suralimenté par turbocompresseur avec variation de calage des cames L'invention concerne les moteurs à combustion interne à pistons fonctionnant selon le cycle Diesel à 4 temps, suralimentés par un ou plusieurs turbocompresseurs et équipés d'au moins une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement par cylindre dont le déplacement est commandé par l'intermédiaire de cames. Ces cames sont entrainées en rotation par le vilebrequin. L'invention a pour objet d'obtenir une forte augmentation de la puissance des moteurs grâce aux effets coordonnés de: * Une importante variation du calage des ouvertures et fermetures des soupapes pour donner au moteur, soit un taux de compression élevé qui favorise son démarrage, soit un taux de compression faible qui lui permette de supporter une pression de suralimentation élevée. * Un choix judicieux du profil des cames et de la fermeture des soupapes d'échappement et de l'ouverture des soupapes d'admission tel qu'il subsiste dans le cylindre des gaz brûlés provenant du cycle précédent. Technique antérieure. A cylindrée et vitesse de rotation données, I'augmentation de puissance des moteurs suralimentés Récessite l'introduction d'une plus grande masse d'air disponible pour la combustion. Cette augmentation est liée à la pression de suralimentation. Elle est limitée car l'augmentation de la pression d'admission élève la pression de fin de compression ainsi que la pression de combustion. Une pression de combustion élevée engendre des contraintes mécaniques dans la plupart des pièces du moteur telle que le vilebrequin. De plus, I'augmentation de la pression de combustion réduit l'épaisseur du film d'huile des coussinets et la longévité des segments de piston. Une solution pour maintenir la pression de combustion à une valeur raisonnable consiste à réduire le taux de compression du moteur. Toutefois, un faible taux de compression rend le démarrage du moteur difficile, voire impossible. C'est la raison pour laquelle, quelques moteurs à faible taux de compression sont munis d'une chambre de combustion annexe. Cette chambre de combustion est mise en service avant le démarrage du moteur et donne de l'énergie au turbo. La chambre de combustion et le turbo fonctionnent en boucle autour du moteur. Lorsque l'air fourni par le turbo atteint une pression et une température suffisantes, le moteur peut être démarré. Grâce à une telle chambre de combustion annexe, quelques moteurs fonctionnent avec satisfaction à une p.m.e. de 35 bars. Mais, le réglage automatique de la chambre de combustion, de la procédure de démarrage et du fonctionnement à faible charge reste délicat. Enfin, la chambre de combustion doit être maintenue en fonctionnement pendant les charges partielles et en veilleuse lors de la pleine charge. La consommation de combustible de ces moteurs est élevée. Descrietion de l'invention. (voir Figures n" 1 et ) Pour la compréhension des figures, on notera que: OE indique le début de l'ouverture des soupapes d'échappement. FE indique la fin de la fermeture des soupapes d'échappement. OA indique le début de l'ouverture des soupapes d'admission. FA indique la fin de la fermeture des soupapes d'admission. PMH indique la position la plus haute du piston. PMB indique la position la plus basse du piston. "C" indique la course de compression. "D" indique la course de détente. La Figure n" 1 représente le calage des soupapes correspondant au démarrage. La figure n" 2 représente le calage des soupapes correspondant au fonctionnement à forte charge. L'invention consiste à Combiner d'importantes variations du calage des ouvertures et fermetures des soupapes du moteur pour pouvoir en augmenter considérablement la puissance et, également, en obtenir un démarrage facile, une faible consommation de combustible et une faible pollution par les gaz d'échappement. 1) Calage de la fermeture des soupapes d'admission. Au démarrage du moteur, (fig n" 1 ), les soupapes d'admission s'ouvrent au voisinage du point mort haut et se ferment au voisinage du point mort bas et ainsi, le taux de compression est élevé. Le moteur peut démarrer facilement. Pendant le fonctionnement à forte charge, ( fin n" 2 ), le retard à la fermeture des soupapes d'admission réduit la course efficace de compression et donc le taux de compression réel. La réduction du taux de compression permet d'augmenter la pression de suralimentation sans augmenter la pression en fin de compression ainsi que la pression maximale de combustion. La variation du calage des soupapes dépendra de la pression de suralimentation et sera d'au moins 50 degrés ( mesurés sur le vilebrequin ) pour obtenir une réduction significative du taux de compression, qui permette d'adopter une très haute suralimentation. 2) Calage de l'ouverture des soupapes d'échappement. Pendant le fonctionnement à forte charge, I'ouverture des soupapes d'échap- pement intervient le plus tardivement possible pour assurer une détente maximale des gaz de combustion et la meilleure transmission possible de leur énergie au vilebrequin. Pendant le fonctionnement à vitesses et charges partielles, I'ouverture des soupapes d'échappement peut être modifiée de manière à optimiser le fonctionnement et le rendement du ou des turbocompresseurs. 3) Calage de la fermeture des soupapes d'échappement. Le profil de la came d'échappement et le calage de la fermeture des soupapes d'échappement seront choisis de telle façon qu'une partie des gaz brûlés du cycle précédent soit conservée dans le cylindre pour le cycle suivant. La fermeture des soupapes d'échappement pourra être synchronisée avec la pulsation de pression qui résulte de l'ouverture des soupapes d'un cylindre voisin. Ce synchronisme pourra augmenter la quantité de gaz brûlés recyclés. C'est le cas, par exemple, des moteurs à 4, 8, et 16 cylindres. 4) Calage de l'ouverture des soupapes d'admission. Le calage de l'ouverture des soupapes d'admission sera déterminé de telle façon qu'il n'y ait pas de balayage de la chambre de combustion par de l'air d'alimentation. Avantagea de l'invention. * Simplicité. Les soupapes sont commandées par des cames de façon classique. Le dispositif de variation de calage modifie simultanément le calage des cames d'admission et d'échappement. Si le moteur est muni de plusieurs arbres à cames, un seul dispositif de variation de calage pourrait suffire. Le calage respectif des cames d'admission et d'échappement entre elles est donc invariable. la modification est applicable à la plupart des moteurs existants. t Faible consommabon grâce au cvcle asymétrique. La grande variation du calage des cames (au moins 50 degrés mesurés sur le vilebrequin ) permet d'obtenir un taux de compression élevé au démarrage, puis un taux de compression faible qui permet d'augmenter considérablement la puissance du moteur tout en bénéficiant d'un grand taux de détente favorable à un bon rendement, c'est à dire à une faible consommation spécifique de combustible. t Rendement de suralimentation. La possibilité de variation continue du calage des cames selon les conditions de fonctionnement du moteur permet d'optimiser l'énergie délivrée aux turbocompresseurs et ainsi de pouvoir utiliser des machines utilisant des champs compresseur et turbine d'excellent rendement. * Faible pollution. La réduction importanté du taux de compression réduit la température de fin de compression. II devient donc possible et utile de compenser cette réduction de température par une rétention de gaz brûlés du cycle précédent. Un choix judicieux du profil des cames et du calage de la fermeture de la soupape d'échappement et de l'ouverture de la soupape d'admission évitera tout balayage de la chambre de combustion par de l'air d'alimentation. Dans certains cas, tels que, à titre d'exemple non limitatif, les moteurs à 4, 8 et 16 cylindres, une liaison bien choisie des cylindres aux collecteurs d'échappement permet d'utiliser les pulsations de pression pour augmenter la quantité de gaz recyclés. Certaines configurations de chambres de combustion, telles que l'utilisation de soupapes concentriques, permettent d'accentuer la stratification des gaz dans le cylindre qui peut avoir pour effet une réduction de la production de NOx. La rétention de gaz brûlés à haute température permet d'éviter la mauvaise combustion qui résulterait d'une température trop basse en fin de compression. En effet, le maintien dans le cylindre des gaz brûlés du cycle précédent a pour conséquence qu'à la fin de la phase de compression, sont présents dans le cylindre t Des gaz d'échappement recomprimés et donc à faible teneur en oxygène et à très haute température. t De l'air frais faiblement comprimé et donc à forte teneur en oxygène et à faible température. C'est la situation idéale pour obtenir un trés court délai d'inflammation et une faible production de NOx. En résumé, cette invention offre donc de grands avantages: t adaptation possible sur la plupart des moteurs existants. t Très forte augmentation de puissance sans grande augmentation des contraintes mécaniques et thermiques. t Très faible délai d'inflammation t Possibilité de durée d'injection courte sous haute pression. t Possibilité d'utiliser des combustibles à faible indice de cétane. t Faible consommation de combustible. t Gaz d'échappement peu polluants. t Tout spécialement faible taux de NOx. REVENDICATIONS. 1) Moteur alternatif à pistons à combustion interne fonctionnant selon le cycle Diesel à 4 temps et suralimenté par un ou plusieurs turbocompresseurs, équipé d'au moins une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement par cylindre, dont le déplacement des soupapes est commandé par l'intermédiaire de cames, dont les lois de levée et de fermeture des soupapes d'admission et d'échappement et leur calage respectif ne permette pas l'évacuation des gaz brûlés qui restent dans la chambre de combustion aprés la phase de refoulement par le piston, équipé d'un système de variation de calage angulaire des cames par rapport au vilebrequin pouvant fonctionner de façon continue et en cours de fonctionnement du moteur, ne modifiant pas le calage respectif des cames entre elles, quelque soit le nombre d'arbres à cames du moteur et capable de faire varier le calage de l'ensemble des cames du moteur d'au moins 50 degrés (valeur mesurée par rapport au vilebrequin ). 2) Moteur selon la revendication n" 1, caractérisé en ce que les lois de fermeture des soupapes d'échappement et d'ouverture d'admission combinées avec la liaison de certains cylindres dans un même collecteur de gaz soient telles que les pulsations de pression à l'intérieur du collecteur se transmettent au cylindre et augmentent ainsi la quantité de gaz brûlés qui est maintenue dans le cylindre pour le cycle suivant.