Brevet FR2780446A1 — publié le 19991231

La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne à 4 temps, suralimentés grâce à une turbo-compression. Les moteurs suralimentés permettent des réductions de consommation au prix toutefois d'une technologique sophistiquée. De façon connue les moteurs turbo-compressés, qui sont des moteurs suralimentés, récupèrent une partie de l'énergie perdue dans les gaz d'échappement au moyen d'une turbine placée dans le flux de gaz brûlés. Cette énergie est utilisée positivement, pour comprimer l'air d'admission. Un 1 O compresseur centrifuge couplé à la turbine ou (turbo-compresseur) peut être utilisé à cet effet. Le brevet US 4 909 035 illustre un moteur de ce type. La turbo compression conduit à une augmentation du rendement du moteur puisque la puissance fournie au compresseur est récupérée sur I'énergie des gaz d'échappement. Une augmentation des performances est par ailleurs obtenue grâce à une augmentation de la puissance et du couple- moteur. La turbo compression constitue le type de suralimentation le plus utilisé actuellement notamment sur les moteurs de moyenne et grosse cylindrées. Ces moteurs ont de bons rendements, et un coût modere. Toutefois un problème réside dans le temps de réponse lors d'une accélération. En outre un manque de pression de suralimentation à bas régime est souvent constaté. Par ailleurs une turbine à l'échappement génère forcément une contre pression défavorable au fonctionnement moteur. Ceci modifie la thermique à l'échappement avec par exemple des incidences défavorables sur le temps de mise en action du pot catalytique. Les figures 1 et 2 illustrent chacune un diagramme pression-volume qui donne le travail développé par les gaz de combustion sur le piston. Le travail est obtenu par la mesure de la surface interne de la courbe fermée du diagramme. Plus précisément, la boucle supérieure correspond à un travail positif (ou PMlhp) pendant les phases de compression et de détente; la boucle inférieure correspond au travail des gaz sur le piston pendant les phases d'échappement et d'admission (PMlbp). La figure 1 concerne un tel diagramme pour un moteur suralimenté tandis que la figure 2 a trait spécifiquement à un moteur à turbo- compression. La figure 1 montre un exemple de diagramme pression-volume pour des fonctionnements à bas et moyen régimes, forte charge, lorsque la pression à l'admission (P2) est supérieure à la pression à l'échappement (P3). On voit que le travail est positif pendant tout le cycle de fonctionnement. La figure 2 montre ce même diagramme pour des fonctionnements à haut régime, lorsque la pression à l'échappement (P3) est supérieure à la pression d'admission (P2). Dans ce cas, le travail correspondant à la boucle inférieure est négatif. Dans le cas de la figure 1, c'est-à-dire tant que la pression de l'air dans le circuit d'admission (P2) reste supérieure à la pression régnant dans les tubulures d'échappement, P3, (ce qui est généralement le cas à bas et moyens régimes moteur pour un fonctionnement sous forte charge), une partie de l'énergie récupérée à l'échappement est restituée sous forme d'un effort moteur sur les pistons lors du temps d'admission, la pression de l'air admis repoussant les pistons (cf. figure 1). Sur un moteur à turbo-compression (figure 3) haut régime moteur, la pression à l'échappement devient plus élevée que la pression à l'admission et la boucle PMI-bp redevient négative, comme sur un moteur atmosphérique. Une modification des lois de distribution admission (forte Avance à la Fermeture Admission AFA ou fort Retard à la Fermeture Admission RFA) permet de récupérer d'avantage d'énergie sous forme de PMI-bp. Toutefois, ces deux techniques sont limitées: I'AFA est pénalisant en terme de remplissage à haut régime car la durée du temps admission est (trop) faible et le RFA est pénalisant à faible charge car la température de l'air à la fin du temps de compression est trop basse pour conduire à une initiation favorable de la combustion. Par ailleurs, au delà d'un certain débit de gaz à l'échappement (i.e. au delà d'un certain régime moteur et/ou charge), il devient nécessaire de court- circuiter une partie du flux de gaz car la turbine récupérerait sinon une quantité d'énergie supérieure à celle nécessaire pour comprimer l'air à l'admission. Un circuit de décharge ("wastegate") est alors ouvert, mais cette opération s'accompagne d'une chute du rendement du moteur. La présente invention a pour but de s'affranchir des inconvénients précités liés aux moteurs suralimentés. Elle trouve une application particulièrement intéressante dans les moteurs à injection directe d'essence. Ainsi la présente invention a pour objet un procédé de contrôle de l'admission d'un moteur turbo-compressé, ayant 4 temps à savoir successivement une admission, une compression, une détente et un échappement. Conformément à l'invention, on réalise une ouverture supplémentaire de l'un au moins des orifices d'échappement aux alentours de la fin de l'admission, I'ouverture étant réalisée pendant une durée faible vis-à-vis de la durée de chacun des autres temps, ce qui permet d'augmenter la pression d'admission et de récupérer d'avantage d'énergie. Avantageusement, à régimes faibles et moyens, I'ouverture supplémentaire est réalisée juste avant le point mort bas. En outre, à haut régime, I'ouverture supplémentaire est réalisée quand la pression (P2) dans le cylindre est supérieure à la pression (P3) à I'échappement. Préférentiellement, on utilise une distribution totalement variable. Préférentiellement, on réalise une injection directe de carburant dans la chambre de combustion dudit moteur turbo-compresse. L'invention a en outre pour objet un moteur à combustion interne à 4 temps comprenant des moyens d'admission de la charge, des moyens d'échappement, un moyen de suralimentation de la charge admise. En accord avec l'invention, le moteur comprend en outre un moyen de contrôle du moyen d'échappement destiné à réaliser une ouverture supplémentaire de l'un au moins des orifices d'échappement aux alentours de la fin de l'admission, I'ouverture étant réalisée pendant un temps faible vis-à-vis de la durée de chacun des 4 autres temps. De façon particulière, le moyen de contrôle permet, à régimes faibles et moyens, ladite ouverture juste avant le point mort bas. Par ailleurs, à haut régime, le moyen de contrôle permet ladite ouverture après le point mort bas admission, quand la pression (P2) dans le cylindre est supérieure à la pression (P3) à l'échappement. Le moteur selon l'injection comprend préférentiellement un moyen d'injection directe de carburant dans la chambre de combustion. De façon spécifique, I'orifice d'échappement par lequel est réalisé l'ouverture supplémentaire est un orifice dédié à cette ouverture. D'autres caractéristiques, détails, avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 3 est un schéma de principe d'un moteur turbocompressé; La figure 4 est un diagramme pression-volume cylindre, caractéristique du procédé selon l'invention pour un fonctionnement à bas et moyen régimes; La figure 5 est une courbe de la levée (L) de la soupape en fonction de l'angle vilebrequin (0) pour le fonctionnement de la figure 4; La figure 6 est un diagramme pression-volume cylindre, caractéristique de l'invention pour un fonctionnement à haut régime. La figure 7 est une courbe de la levée (L) de la soupape en fonction de I'angle vilebrequin (0) pour les fonctionnements à haut régime. La figure 3 montre schématiquement un moteur dans lequel l'invention peut être mise en oeuvre. Il s'agit ici d'un moteur 1 équipé d'un turbo-compresseur 2. De façon connue, l'admission 3 du moteur est reliée au compresseur 4 du turbo-compresseur tandis que l'échappement 5 est reliée à la turbine 6 du turbo-compresseur 2. Les gaz sont évacués par une sortie générale 7. Par ailleurs, une soupape de décharge 8 (waste-gate) est prévue sur le collecteur d'échappement 5 afin de dériver une partie des gaz d'échappement lorsque leur débit est si important qu'une quantité d'énergie supérieure à celle nécessaire est créée à l'admission. La séquence du fonctionnement d'un moteur 4 temps classique étant la suivante: O admission, compression,!') combustion-détente, ) échappement, on réalise selon l'invention la nouvelle séquence: 0) admission;:' échappement de décharge;. compression; combustion -détente {4 échappement. Les figures 4 et 6 permettent de visualiser l'effet du temps d'échappement de décharge sur les boucles PMlbp du diagramme pression- volume cylindre. Une comparaison des figures 1 (art antérieur) et 4 (l'invention) montre tout d'abord que la pression P2, à l'admission, peut être augmentée ce qui accroît la surface de la boucle inférieure, dite boucle PMI basse pression, accroissant nettement le travail moteur. Par ailleurs, une comparaison des figures 2 et 6 montre une réduction de la boucle PMI basse pression, ici négative puisque là encore la pression peut être P2 augmentée grâce à l'invention. Le travail résistant est donc réduit. Dans ce cas de figure, la phase d'échappement de décharge ôÉ' est réalisée au début de la phase de compression, ce qui permet de vidanger le surplus d'air non nécessaire à la combustion. Dans tous les cas, la durée de l'échappement de décharge sera courte par rapport à la durée des autres temps. Le moyen utilisé pour réaliser l'échappement de décharge dans un cylindre pourra être une soupape d'échappement dont les déplacements sont régis par une distribution totalement variable, de type électromagnétique par exemple. Une autre possibilité peut consister à utiliser une came supplémentaire dont le profil impose aux soupapes une deuxième levée, en addition à leur levée d'échappement principal. Par ailleurs le moyen d'échappement (soupape et orifice associé) pourra être ou non dédié à l'échappement de décharge supplémentaire. Ainsi, la présente invention permet d'utiliser des pressions de suralimentation en air très supérieures à celles rencontrées habituellement (par exemple de 2 à 3 bar absolus au lieu de 1 à 2 bar absolus classiquement) puis de décharger en fin d'admission le surplus d'air inutile pour la combustion avant de débuter la phase de compression. L'accroissement de rendement qui en résulte est d'autant plus élevé que le circuit de décharge peut être laissé fermé sur un plus grand domaine (régime, charge) de fonctionnement moteur. En effet, un surcroît d'énergie est demandé au turbo-compresseur pour la compression de l'air lors de la phase d'admission. En d'autres termes la présente invention a notamment pour buts 1. d'étendre la zone de fonctionnement du moteur avec récupération d'énergie sous forme de PMI-bp pour les fonctionnements à charge partielle; 2. de limiter la perte d'énergie sous forme de PMI-bp quand celle-ci est négative (à haut régime); 3. d'étendre la zone de fonctionnement du moteur sans ouverture du circuit de décharge vers les plus fortes charges et/ou les plus hauts régimes moteur. Il convient donc, selon l'invention, de distinguer deux effets, obtenus pour deux cas de fonctionnement différents: Le premier cas concerne les bas et moyen régimes pour un fonctionnement sous forte charge: alors P2 > P3, la boucle PMI-bp est positive et est plus importante que dans l'art antérieur. Dans ce cas, le temps d'échappement de décharge 3' sera effectué aux alentours du point mort bas (PMB) admission. La figure 5 montre la levée de la soupape dans un tel cas. On aura, de façon connue, une levée pour l'échappement ') puis une levée pour l'admission Q qui sera suivie d'une levée supplémentaire pour l'échappement de décharge O'. Le deuxième cas est celui des hauts régimes, pour lesquels l'invention permet de diminuer la perte d'énergie sous forme de boucle basse pression résistante, comme expliqué ci-dessus en relation avec les figures 2 et 6. La figure 7 montre la levée supplémentaire réalisée selon l'invention, pour l'échappement de décharge Or'. La durée de l'échappement de décharge sera courte vis-à-vis de chacune des autres durées (d'échappement et d'admission), environ 1/4 à titre illustratif. Par ailleurs, I'échappement de décharge d' sera effectué peu après le point mort bas quand la compression dans le cylindre aura amené la pression de l'air dans le cylindre à un niveau supérieur à P3 de sorte que la vidange du surplus d'air soit rendue possible par cette différence de pression. La présente invention est préférentiellement dédiée aux moteurs à injection directe d'essence pour lesquels une injection d'essence postérieure à la phase d'échappement de décharge évitera tout risque de rejet d'essence imbrûlée à l'échappement lors de la phase d'échappement de décharge (ce ne serait pas le cas avec un moteur à injection indirecte pour lequel une partie de la charge serait sinon court-circuitée vers l'échappement). De plus, il est intéressant d'avoir recours à une distribution totalement variable afin de disposer d'une grande latitude pour la durée et le calage dans le temps de la phase d'échappement de décharge, et ainsi de pouvoir "régler" finement le niveau de remplissage en air des cylindres. REVENDICATIONS 1) Procédé de contrôle de l'admission d'un moteur turbo-compressé, ayant 4 temps à savoir successivement une admission, une compression, une détente et un échappement, caractérisé en ce qu'on réalise une ouverture supplémentaire de l'un au moins des orifices d'échappement aux alentours de la fin de l'admission, I'ouverture étant réalisée pendant une durée faible vis-à-vis de la durée de chacun des autres temps, ce qui permet d'augmenter la pression d'admission et de récupérer d'avantage d'énergie. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à haut régime, I'ouverture supplémentaire est réalisée après le point mort bas admission, quand la pression (P2) dans le cylindre est supérieure à la pression (P3) à l'échappement. 3) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise une distribution totalement variable. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on réalise une injection directe de carburant dans la chambre de combustion dudit moteur turbo-compressé. ) Moteur à combustion interne à 4 temps comprenant des moyens d'admission de la charge, des moyens d'échappement, un moyen de suralimentation de la charge admise, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de contrôle du moyen d'échappement destiné à réaliser une ouverture supplémentaire de l'un au moins des orifices d'échappement aux alentours de la fin de l'admission, I'ouverture étant réalisée pendant un temps faible vis-à-vis de la durée de chacun des 4 autres temps. 6) Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moyen de contrôle permet, à haut régime, ladite ouverture après le point mort bas admission, quand la pression (P2) dans le cylindre est supérieure à la pression (P3) à l'échappement. 7) Moteur selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend une distribution variable. 8) Moteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le moyen de suralimentation est un turbo- compresseur. 9) Moteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen d'injection directe de carburant dans une chambre de combustion. ) Moteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que l'orifice d'échappement par lequel est réalisé I'ouverture supplémentaire est un orifice dédié à cette ouverture.