Brevet FR2800126A1 — publié le 20010427

1i 2800126 La présente invention concerne les moteurs à combustion interne 4 temps à auto-allumage contrôlé. L'auto-allumage contrôlé est un phénomène connu dans les moteurs 2 temps. Ce type de combustion présente des avantages au niveau des émissions de polluants: on obtient notamment de faibles émissions d'hydrocarbures et d'oxydes d'azote. En outre, une remarquable régularité cyclique est réalisée lors de la combustion en auto-allumage. L'auto-allumage est un phénomène qui permet d'initier la combustion grâce à des gaz brûlés résiduels qui restent dans la chambre de combustion après la combustion. L'auto-allumage est réalisé en contrôlant la quantité de gaz résiduels et son mélange avec les gaz frais (non encore brûlés). Les gaz résiduels (gaz brûlés chauds) initient la combustion des gaz frais grâce à une combinaison de température et de présence d'espèces actives. Dans les moteurs 2 temps, la présence de gaz résiduels est "inhérente" à la combustion. En effet, lorsque la charge du moteur diminue, la quantité de gaz frais diminue ce qui entraîne une augmentation de la quantité de gaz résiduels (gaz brûlés du ou des cycles précédents qui ne sont pas sortis du cylindre). Le moteur 2 temps fonctionne donc avec une circulation interne (ou EGR interne) des gaz brûlés à charge partielle. Toutefois, la présence de cet EGR interne n'est pas suffisante pour obtenir le fonctionnement souhaité en auto-allumage. 2 2800126 Les travaux des chercheurs montrent aussi qu'il faut contrôler et limiter le mélange entre cet EGR interne et les gaz frais. La technologie d'auto-allumage contrôlé appliquée au moteur quatre temps est particulièrement intéressante car elle permet de faire fonctionner ce type de moteur avec un mélange extrêmement dilué, avec des richesses très faibles et par conséquent, des émissions d'oxydes d'azote ultra faibles. Cependant cette technologie se heurte à une difficulté technologique importante qui est le fait que pour l'obtenir sans bénéficier de l'effet EGR interne du moteur 2 temps, il est nécessaire soit d'augmenter très fortement le taux de compression du moteur (avec des problèmes de cliquetis à charge élevée), soit de réchauffer très fortement (plusieurs centaines de degrés Celsius) les gaz frais admis, ou encore de combiner les deux phénomènes. Des solutions existent pour diminuer les exigences en niveau de pression et de température pour les moteurs 4 temps, notamment par l'utilisation d'additifs appropriés ajoutés au carburant. La demande de brevet française FR 2 738 594 illustre une solution de ce type. Pour les moteurs 4 temps, il est connu, notamment par la demande internationale WO-93/16276, de combiner un calage variable de la distribution avec un système anti-retour à l'admission dans le but de diminuer les pertes par pompage à charge partielle. Cette solution permet alors de fonctionner avec le papillon d'admission le plus ouvert possible. La demande de brevet FR-97/02.822 déposée au nom de la demanderesse décrit un contrôle de l'auto-allumage dans un moteur quatre temps. Plus précisément, ce document préconise, à charge partielle, de minimiser le mélange des gaz frais avec les gaz brûlés enfermés dans la chambre de combustion, en agissant sur la fermeture de l'échappement. Il s'agit donc d'une solution proche de la technique du 3 2800126 recyclage "interne" qui permet de stratifier les gaz dans la chambre de combustion. La demande de brevet FR-97/11.279 déposée au nom de la demanderesse vise aussi à minimiser, à charge partielle, le mélange des gaz frais avec les gaz brûlés contenus dans la chambre de combustion, dans le but de contrôler et de favoriser la combustion en auto-allumage. Cependant, cet enseignement propose de transférer les gaz brûlés depuis l'échappement d'un cylindre jusque dans l'admission du même cylindre. Cette solution crée une dilution très importante des gaz brûlés recyclés, par l'air, avant l'entrée dans la chambre de combustion, ce qui peut poser problème. La présente invention vise à réaliser un auto-allumage contrôlé dans des moteurs 4 temps multi cylindres qui soit très simple, donc fiable, de mise en oeuvre aisée et qui favorise au maximum la stratification des gaz brûlés dans la chambre de combustion. De plus, les gaz brûlés conservent, voire augmentent, selon l'invention, leur température ce qui est favorable à l'auto-combustion. Ainsi la présente invention a pour objet un procédé de combustion par auto-allumage contrôlé d'un moteur 4 temps comprenant plusieurs cylindres ayant chacun au moins un orifice d'admission et au moins un orifice d'échappement, les orifices et les moyens de contrôle de la fermeture étant conventionnels, c'est à dire selon les connaissances de l'homme du métier. L'invention peut s'appliquer aux moteurs à injection directe (IDE) ou indirecte. Selon l'invention, le procédé consiste pendant le fonctionnement à charge partielle, à transférer via un moyen de transfert approprié des gaz d'échappement depuis un cylindre, généralement en phase d'échappement, vers un autre cylindre, généralement en phase d'admission. Les gaz d'échappement sont conduits, via une vanne spécifique placée après le moyen d'échappement, vers le moyen de 4 2800126 transfert. Grâce à une deuxième vanne, les gaz d'échappement transférés arrivent dans le conduit d'admission, en amont du moyen d'admission. Pour plus d'efficacité, il est souhaitable qu'un moyen d'admission soit dédié à l'entrée des gaz d'échappement dans le cylindre (il faut dans ce cas au moins deux moyens d'admission) pour diminuer le mélange entre gaz frais et gaz brûlés. Les gaz d'échappement peuvent aussi être récupérés d'un cylindre en fin de phase de détente. Ils peuvent aussi être introduits dans un autre cylindre en début de phase de compression. Le procédé selon l'invention, consiste en outre à contrôler la répartition du débit des gaz d'échappement entre le système d'échappement et le moyen de transfert. En outre, le procédé peut consister à isoler thermiquement et/ou à réchauffer les gaz d'échappement transférés dans ledit moyen de transfert approprié, afin d'améliorer encore l'auto-inflammation. Afin de réchauffer les gaz brûlés transitant dans le moyen de transfert, des moyens de catalyse peuvent être placés dans le moyen de transfert. Le positionnement du catalyseur est un compromis entre un positionnement proche de la vanne d'admission du cylindre, afin d'avoir un température plus grande des gaz brûlés quand ils entrent dans le cylindre, ou alors proche de la vanne échappement, afin de faciliter l'amorçage de ce catalyseur lors des démarrages à froid. Outre le fait que ce catalyseur a pour première fonction de réchauffer les gaz brûlés pour faciliter l'auto allumage contrôlé, dans le cas de démarrage à froid, il participera, dès son amorçage, à la réduction des émissions polluantes pendant une phase o le catalyseur principal du pot n'est généralement pas totalement amorcé. Les moyens de catalyse peuvent comprendre une masse de catalyseur ou des parois revêtues de catalyseur. A cette place, à pleine charge, le catalyseur ne reçoit pas les gaz brûlés, donc ne risque 2800126 pas de détérioration précoce et ne crée pas de perte de charges supplémentaires. En effet, à pleine charge, les moyens de transfert ne communiquent plus avec les conduits associés aux orifices d'échappement et d'admission des cylindres. A pleine charge, la configuration du moteur devient conventionnelle. Afin d'augmenter la température des gaz d'échappement à charge partielle, on peut augmenter la richesse des gaz d'échappement, notamment dans le cas d'un moteur à injection directe. Dans ce cas, une injection de carburant en fin de phase d'échappement permet aux gaz d'échappement d'augmenter de température grâce à la réaction dans le catalyseur. Il est envisageable de placer un injecteur de carburant spécifique en amont des moyens de catalyse. Selon un mode de réalisation de l'invention, on utilise un conduit commun pour le transfert des gaz d'échappement. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on utilise pour le transfert des gaz d'échappement, un ensemble de conduits reliant les conduits spécifiques d'échappement aux conduits spécifiques d'admission deux à deux. La présente invention concerne en outre un moteur à combustion interne à 4 temps fonctionnant en auto-allumage contrôlé et comprenant plusieurs cylindres ayant chacun au moins un orifice d'admission et au moins un orifice d'échappement. Conformément à l'invention, chaque cylindre comprend en outre un moyen spécifique destiné au passage des gaz d'échappement depuis l'échappement d'un cylindre, généralement en phase d'échappement, vers au moins un autre cylindre, généralement en phase d'admission, ainsi qu'un moyen de transfert associé, le transfert ayant lieu pendant le fonctionnement à charge partielle. 6 2800126 Un moyen d'isolation thermique et/ou de chauffage du moyen de transfert peut par ailleurs être prévu sans sortir du cadre de l'invention. De façon avantageuse, le moteur comprend en outre un moyen de répartition des gaz d'échappement entre le système d'échappement et le moyen de transfert, à charge partielle. En plus de la vanne spécifique pour détourner (totalement ou partiellement) les gaz d'échappement vers le moyen de transfert, le moyen de répartition des gaz d'échappement peut comprendre un moyen de vannage disposé à proximité du moyen d'échappement. Selon un mode de réalisation, ledit moyen de transfert comprend un conduit commun. Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen de transfert comprend un ensemble de conduits reliant les conduits et vannes spécifiques d'échappement aux conduits et vannes spécifiques d'admission deux à deux. D'autres caractéristiques, détails, avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement 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 1 est une coupe schématique d'un mode de réalisation de l'invention; - La figure 2 est une coupe schématique d'un autre mode de réalisation de l'invention. - La figure 3 représente une variante pour les deux modes précédents. La figure i illustre le cas d'un moteur ayant quatre cylindres 1. L'invention s'applique en fait à tous les moteurs comportant au moins 7 2800126 deux cylindres. La lettre A figure l'admission dans un cylindre, la lettre E l'échappement dans le même cylindre. Chaque cylindre i comprend au moins un orifice 2 d'admission d'une charge. La présente invention comporte de préférence deux orifices d'admission (comme représenté sur les figures). Par moyen d'admission d'une charge, il faut ici comprendre: un orifice d'admission auquel est associé une soupape et le conduit associé à cet orifice. De manière équivalente, il en est de même pour l'appellation moyen d'échappement. Chaque cylindre comprend en outre un orifice d'échappement 3 équipé classiquement d'un conduit et d'une soupape associés. Par ailleurs, chaque cylindre 1 comprend des moyens de distribution du type vanne 4 placés dans le conduit d'échappement, bien évidemment en aval de l'orifice d'échappement. Cette vanne, ou dispositif équivalent, permet aux gaz brûlés sortant de l'orifice d'échappement d'aller dans un moyen de transfert 5. Dans cette variante, le moyen de transfert 5 est un conduit qui communique avec tous les conduits d'échappement des cylindres, ainsi qu'avec tous les conduits d'admission. Ce sont ces moyens de distribution qui permettent de contrôler le débit de transfert des gaz entre les échappements et les admissions. En pleine charge, ces vannes 4 ferment la communication vers le conduit 5. Chaque cylindre i comprend aussi une vanne 7 placée dans l'admission, proche de l'orifice d'admission 2. Elle permet au gaz brûlés d'aller du moyen de transfert 5 au cylindre 1, via la vanne de distribution 7 et l'orifice d'admission 2. En pleine charge, ces vannes 7 sont préférentiellement fermées. Dans chaque cylindre, un moyen de vannage 6 est disposé à proximité du moyen d'échappement 3. Une commande appropriée et coordonnée contrôle l'ouverture de chaque moyen de vannage 4, 6, 7, et permet de réguler et de répartir le débit des gaz entre l'échappement classique et le moyen de transfert 5. 8 2800126 Il est possible, sans sortir du cadre de l'invention, de ne pas envisager le vannage 6. A charge partielle, des gaz d'échappement sont transférés depuis un cylindre généralement en phase d'échappement vers un autre cylindre en généralement phase d'admission. Le tableau ci-dessous illustre les transferts ainsi réalisés sur un cycle, pour un moteur 4 cylindres. CYLINDRE 1 CYLINDRE 2 CYLINDRE 3 CYLINDRE 4 D E C A E > A D C A C E D C D A E D = détente; E = échappement; A = admission; C = compression La présente invention peut utiliser une distribution standard pour l'ouverture de toutes les soupapes échappement et admission. Dans ce cas, à charges partielles, les gaz brûlés et les gaz frais entreront ensemble dans le cylindre en phase d'admission. 9 2800126 Dans le cas ou un système connu d'ouverture variable des soupapes est disponible, quelques stratégies peuvent être efficacement utilisées avec la présente invention: - Pour l'échappement, dans le cas d'au moins 2 moyens d'échappement (3 et 3'), l'orifice 3 pour les gaz frais peut être faiblement ouvert en début d'échappement et l'orifice 3' associé à la vanne 4, ouvert normalement oblige alors les gaz brûlés à se diriger vers le moyen de transfert 5. Cette stratégie permet d'envoyer une plus grande quantité de gaz brûlés dans le moyen de transfert 5 et donc dans l'autre cylindre en phase d'admission. Par faiblement ouvert, on doit comprendre que l'on agit sur la hauteur de la levée de soupape, ou sur la durée de la levée, ou sur les deux. Dans ce cas, le vannage 6 n'est pas nécessaire. L'ouverture de l'orifice 3' peut aussi commencer et/ou se faire pendant la fin du temps de détente afin de récupérer des gaz brûlés très chauds et sous pression. Cela peut servir aussi à chauffer rapidement le catalyseur 10 lors du démarrage à froid. - Pour l'admission, dans le cas d'au moins 2 moyens d'admission , l'orifice 2 peut être ouvert en début de phase d'admission et rapidement refermé. L'orifice 2' est alors ouvert en fin de phase d'admission, en limitant le croisement entre les soupapes 2 et 2' afin de limiter le mélange des gaz brûlés avec les gaz frais. Cette configuration permet, avec une stratégie adéquate de gestion des soupapes d'échappement, d'augmenter la pression dans le cylindre en forçant l'entrée de gaz brûlés après l'entrée de la charge de gaz frais. L'entrée des gaz brûlés peut aussi se terminer pendant le début du temps de compression pour augmenter la quantité de gaz brûlés (si la pression disponible dans le moyen de transfert le permet). 2800126 Une autre possibilité est de faire d'abord entrer dans le cylindre les gaz brûlés par l'orifice 2', et ensuite de faire entrer la charge par l'orifice 2, avec un croisement de soupape limité afin de limiter le mélange des gaz brûlés et des gaz frais. On ne sortira pas du cadre de la présente invention si les gaz frais sont comprimés, par exemple par un compresseur. Selon un mode de réalisation de l'invention, illustré par la figure 1, le moyen de transfert comprend un conduit commun avec des accès à toutes les vannes spécifiques 4 et 7. I est encore envisageable, sans sortir du cadre de l'invention, de prévoir comme moyen de transfert un ensemble de conduits reliant les conduits et les vannes spécifiques d'échappement aux conduits et vannes spécifiques d'admission deux à deux, et qui permettent par exemple pour un moteur quatre cylindres, d'avoir les transferts selon le tableau ci- 1 5 dessus comme illustrés sur la figure 2. De façon avantageuse, la ou les tubulures de transfert 5 peut être isolée thermiquement, à l'aide d'une céramique 8 par exemple. Elle peut aussi être chauffée par des moyens spécifiques 8'. Ainsi les gaz qui transitent dans une tubulure de transfert 5 ne perdent pas, voire gagnent des calories lorsqu'ils arrivent dans le cylindre. L'auto-inflammation est ainsi améliorée puisque l'on sait que la température des gaz recyclés est un paramètre important, qui favorise l'auto-allumage. Un catalyseur 10 peut aussi être utilisé afin de réchauffer les gaz brûlés et avantageusement, dans le même temps, diminuer le taux de polluants présents dans les gaz brûlés passant par le moyen de transfert 5. La figure 3 montre une variante o l'échappement ne comprend qu'un orifice. Il est clair que les moyens d'admission, comme d'échappement, ne sont pas limités à un double échappement et à une double admission. il 2800126 La présente invention présente l'avantage certain de ne pas avoir besoin d'orifices de transfert spécifiques, puisqu'elle utilise les conduits conventionnels d'admission et d'échappement du moteur quatre temps considéré. 12 2800126 REVENDICATIONS 1) Procédé de contrôle de la combustion par auto-allumage d'un moteur 4 temps comprenant plusieurs cylindres (1) ayant chacun au moins un moyen d'admission (2) comprenant un conduit d'admission et au moins un moyen d'échappement (3) comprenant un conduit d'échappement, caractérisé en ce que, pendant le fonctionnement à charge partielle dudit moteur, on prélève une quantité de gaz d'échappement depuis le conduit d'échappement d'un cylindre, et on transfère une quantité de gaz brûlés vers le conduit d'admission d'au moins un autre cylindre. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel on isole thermiquement et/ou on réchauffe les gaz d'échappement transférés. 3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel on réchauffe les gaz par catalyse dans les conduits de transfert. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on régule le débit de gaz transféré. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on utilise un conduit commun (5) pour le transfert des gaz d'échappement. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, à pleine et forte charges, on ne prélève pas, ni ne transfère, de gaz d'échappement. 7) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on utilise pour le transfert des gaz d'échappement, un ensemble de 13 2800126 conduits reliant les conduits spécifiques d'échappement aux conduits spécifiques d'admission deux à deux. 8) Moteur à combustion interne à 4 temps fonctionnant en auto- allumage contrôlé et comprenant plusieurs cylindres (1) ayant chacun au moins un moyen d'admission (2) comprenant un conduit d'admission et au moins un moyen d'échappement (3) comprenant un conduit d'échappement, caractérisé en ce que chaque cylindre (1) comprend des moyens de transfert (5) des gaz d'échappement depuis ledit conduit d'échappement d'un cylindre vers un conduit d'admission d'au moins un autre cylindre. 9) Moteur à combustion interne selon la revendication 8, dans lequel les moyens de transfert comprennent en outre un moyen d'isolation thermique (8) et/ou de chauffage (8') desdits gaz transférés. ) Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel ledit moyen d'échappement (3) comprend un moyen de contrôle (4) de la communication entre le conduit d'échappement et le conduit (5) des moyens de transfert. 11) Moteur à combustion interne selon la revendication 10, dans lequel ledit moyen d'admission (2) comprend un moyen de contrôle (7) de la communication entre le conduit d'admission et le conduit des moyens de transfert (5). 12) Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel ledit moyen de transfert comprend un conduit commun (5) qui communique avec les conduits d'admission et d'échappement de chacun des cylindres. 13) Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel lesdits moyens de transfert comprennent des moyens de catalyse (10). 14 2800126 14) Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel lesdits moyens de transfert comprennent un ensemble de conduits reliant les vannes spécifiques d'échappement aux vannes spécifiques d'admission deux à deux. 15) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 8 à 14, dans lequel il ne comporte qu'un orifice d'échappement.