Brevet FR2799797A1 — publié le 20010420

Procédé et dispositif d'alimentation d'un moteur à combustion interne, en particulier pour véhicule automobile L'invention concerne un procède et un dispositif d'alimentation d'un moteur à combustion interne, notamment à essence, en particulier pour véhicule automobile. Pour réduire les quantités de composés nocifs ou polluants contenus dans les gaz d'échappement rejetés à l'atmosphère par un tel moteur, est déjà connu de recycler une partie des gaz 'échappement dans l'air d'admission du moteur, ce qui permet essentiellement de réduire la quantité d'oxydes d'azote rejetés à l'atmosphère, recyclage étant réalisé au ralenti et aux charges faibles du moteur, notamment au lever de pied, c'est-a-dire lorsque l'on cesse d'exercer une action sur la pédale .d'accélérateur. Pour cela, un conduit de recyclage de gaz équipé d'une soupape est branche entre le conduit d'échappement et le. collecteur d'admission du moteur, et un calculateur électronique pilote la soupape de recyclage en ouverture et en fermeture, en fonction d'un certain nombre de paramètres prélevés sur le moteur. On a aussi proposé un procède de combustion à mélange pauvre selon lequel, dans chaque cylindre du moteur, l'essence est injectée sous pression relativement. élevée sur une surface courbe de la tête du. piston de façon à ce que le mélange essence - air de combustion atteigne la bougie d'allumage avec une composition voisine de la composition stoechiométrique (pour laquelle le rapport air/carburant est voisin de 14,7) permettant un allumage satisfaisant, alors que le rapport air/carburant global dans le cylindre est d'environ 40. Un moteur ainsi alimenté produit globalement moins d'hydrocarbures imbrûlés, de monoxyde de carbone et d'oxydes d'azote qu'un moteur alimenté de façon classique. Ces deux systèmes connus peuvent être combinés, une partie (inférieure à 30 % de la cylindrée unitaire) des gaz d'échappement étant recyclée au ralenti et aux charges faibles dans le collecteur d'admission du moteur à mélange pauvre, ce qui permet de réduire encore les quantités de composants polluants contenus dans les gaz d'échappement au ralenti et aux charges faibles. Toutefois, la sévérité des normes antipollution ne permet pas à un tel moteur de fonctionner sans catalyseur de traitement gaz d'échappement. Or un catalyseur trifonctionnel classique ne fonctionne correctement que dans les conditions de la combustion stoechiométrique, ce qui n est pas le cas d'un moteur à mélange pauvre. I1 faut dans ce cas ajouter un catalyseur d'oxydation catalyseur trifonctionnel classique et prévoir en outre des moyens permettant de régénérer régulièrement le catalyseur d'oxydation. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle a pour objet procédé et un dispositif d'alimentation d'un moteur à combustion interne, permettant de réduire de façon sensible la consommation de carburant et les quantités de composés polluants dans les gaz rejetés à l'atmosphère, sans surcout au niveau du traitement catalytique des gaz d'échappement. Elle propose, à cet effet, procédé d'alimentation d'un tel moteur, comprenant un recyclage d'une partie des gaz d'échappement dans les cylindres du moteur au ralenti et faibles charges, caractérisé en ce qu'il consiste dans une première partie de la phase d'admission dans un cylindre, à introduire dans ce cylindre des gaz d'échappement recyclés, sensiblement sans les mélanger à de l'air frais, puis dans une seconde partie la phase d'admission, à introduire dans le cylindre uniquement de l'air frais pour former dans le cylindre un volume d'air frais au-dessus d'un volume gaz d'échappement, la quantité carburant admise dans le cylindre pour la combustion étant sensiblement au rapport stoechiométrique avec la quantité 'air frais admise dans le cylindre. Ce procédé d'alimentation offre les avantages suivants - bien que le cylindre contienne une quantité relativement importante de gaz d'échappement, la combustion a lieu au rapport stoechiométrique, du fait que le carburant est injecté dans le volume d'air frais se trouvant au-dessus du volume du gaz d'échappement et que la combustion a lieu essentiellement dans ce volume d'air frais, qui n'est pas mélangé au gaz d'échappement, - recyclage des gaz d'échappement se traduit par une réduction de la pollution et de la consommation et par une augmentation du taux de compression, permettant un meilleur rendement, - le moteur peut être équipé d' catalyseur trifonctionnel classique fonctionnant dans des conditions optimales, puisqu'il n'est alimenté que par des gaz d'échappement résultant d' combustion stoechiométrique. Selon une autre caractéristique de 1 invention, la quantité de gaz d'échappement introduite dans un cylindre pendant la première partie de la phase d'admission est comprise entre 50 et 70 % environ de cylindrée unitaire. ce recyclage important de gaz d'échappement est favorable à la diminution de la pollution et permet plus un réchauffage plus rapide du moteur et du catalyseur, au démarrage à froid. L'invention propose également un dispositif d'alimentation pour un moteur à combustion interne, en particulier pour véhicule automobile, comprenant des moyens de recyclage d'une partie des gaz d'échappement dans les cylindres du moteur, au ralenti et aux charges faibles, caractérise en ce que moyens de recyclage comprennent des conduits de recyclage dont chacun relie un conduit d'échappement a un conduit d'admission d'un cylindre et comporte un volet de réglage de la quantité de gaz d'échappement recyclés dans un cylindre, et des moyens de commande des volets de réglage de sorte que, dans une première partie de la phase d'admission dans un cylindre, des gaz d'échappement sont introduits dans le cylindre sans être mélangés à de l'air frais puis, dans une seconde partie de la phase d'admission, de l'air frais est introduit dans le cylindre en formant dans celui-ci un volume d'air frais au-dessus d'un volume gaz d'échappement recyclés. Les moyens de commande d'injection de carburant, sont tels que la quantité de carburant ammenée dans cylindre pour la combustion est sensiblement dans un rapport stoechiométrique avec la quantité d'air frais amenée dans le cylindre pendant la seconde partie de la phase d'admission. Dans une première forme de la réalisation de l'invention, par exemple lorsque le moteur à combustion interne comprend cinq cylindres ou davantage, l'échappement de chaque cylindre peut être relié à l'admission d'un autre cylindre par un conduit de recyclage précité en fonction de 'ordre d'allumage dans les cylindres. En variante, notamment lorsque le moteur comprend quatre cylindres en ligne, chaque conduit de recyclage comporte un réservoir tampon équipé des clapets d'entrée et de sortie, pour retarder l'injection de ces gaz d'échappement à l'admission d'un cylindre. Les clapets d'entrée et de sortie précités des réservoirs tampons de recyclage sont avantageusement commandés par la pression des gaz d'échappement recycles. Avantageusement, et au bénéfice de la simplicité de construction, le conduit de recyclage comportant un réservoir tampon précité relie le conduit d'échappement d'un cylindre au conduit d'admission du même cylindre. ailleurs, quand le volet de sortie d'un réservoir tampon est fermé, le conduit qui relie ce réservoir tampon au conduit d'admission dans un cylindre, forme un résonateur pour l'air frais circulant dans le conduit d'admission à la fermeture de la soupape d'admission pendant la deuxième partie de la phase d'admission. évite ainsi des effets parasites dans le conduit d'admission d'air. L'invention est également applicable moteurs à combustion interne dont chaque cylindre est équipé de deux soupapes d'admission montées dans deux conduits d'admission et de deux soupapes d'échappement montées dans deux conduits d'échappement Dans ce cas, les deux conduits d'échappement de chaque cylindre sont reliés par deux conduits de recyclage précités à deux conduits d'admission dans un cylindre (le même cylindre ou un autre cylindre, selon les types de moteur). L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suit, faite à titre d'exemple en référence dessins annexés dans lesquels - les figures 1 à 3 sont des vues schématiques partielles, en coupe axiale, d'un cylindre d'un moteur équipé d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique partielle de dessus ce moteur et du dispositif selon l'invention , - les figures 5 et 6 sont des schémas de distribution des gaz d'échappement recyclés pour des moteurs en V à six et à huit cylindres, respectivement ; - la figure 7 est une vue schématique partielle, en coupe du côté échappement, d'une variante de réalisation de l'invention, pour un moteur comprenant des cylindres en ligne ; - la figure 8 est une vue schématique partielle de dessus de cette variante de réalisation ; - la figure 9 est une vue correspondant à la figure 7, en coupe côté admission ; - les. figures 10 à 17 sont des vues correspondant aux figures 7 et 9 et illustrant le fonctionnement de l'invention. Bien que l'invention puisse être aussi appliquée moteurs à allumage spontané (moteurs à gazole type diesel ou à hydrogène), elle est plus particulièrement destinée aux moteurs à allumage commandé dont le carburant (essence ou gaz de pétrole liquéfié) est injecté dans un conduit 'admission ou dans un cylindre. on se réfère d'abord aux figures 1 à 4 concernant un premier mode de realisation de 1 invention, appliquée à un moteur à essence comprenant par exemple cinq cylindres en ligne comme représenté schématiquement en figure 4 où les différents cylindres sont désignés par les références 1 2, 3, 4 et 5 respectivement. Chaque cylindre est équipé d'une soupape d'admission 10 montée dans un conduit d'admission 12 relié à un collecteur d'admission 14, et une soupape d'échappement 16 montée dans un conduit d'échappement 18 raccordé à un collecteur d'échappement (non représenté) menant à un catalyseur trifonctionnel classique dont est équipé le moteur à combustion interne. Selon l'invention, le conduit d'échappement 18 de chaque cylindre situé dans la culasse est raccordé par un conduit 20 à deux cbnduits dont l'un 22 est relié directement au collecteur d'échappement du moteur et dont l'autre 24 est un conduit de recyclage relié au conduit d'admission d'un autre cylindre du moteur. Un volet de réglage 26 est monté à l'entrée du conduit de recyclage 24, pour régler le débit de gaz passant par ce conduit entre une valeur nulle et une valeur maximale. Comme on l'a représenté schématiquement en figure 4, les volets 26 des conduits 24 sont montés sur un même axe et entraînés en rotation par un même organe 28, lui-même manoeuvré par un système à commande électronique, permettant d'ouvrir les conduits 24 au ralenti et aux faibles charges du moteur. On voit également en figure 4 que l'ordre de fonctionnement des cylindres étant 1-2-4-5-3 les gaz d'échappement du cylindre 1 alimentent le cylindre 2, que les gaz d'échappement du cylindre 2 alimentent le cylindre 4, que les gaz d'échappement du cylindre 4 alimentent le cylindre 5 et que les gaz d'échappement du cylindre 5 alimentent le cylindre 3, dont les gaz d'échappement alimentent le cylindre 1. En fonctionnement normal, lorsque moteur n'est pas au ralenti et qu'il travaille en charge, les volets 26 sont amenés dans des positions de fermeture des conduits 24 menant aux conduits d'admission des cylindres, de sorte que les gaz d'échappement sortant des cylindres par les conduits 18 sont amenés par les conduits 22 au collecteur d'échappement et de là passent par le catalyseur trifonctionnel avant d'être rejetés à l'atmosphère. Dans ces conditions, la combustion du mélange air- essence dans les cylindres est stoechiométrique et correspond aux conditions de fonctionnement optimales du catalyseur trifonctionnel. ralenti et aux faibles charges, les volets 26 sont commandés à l'ouverture et laissent passer une partie des gaz d'échappement vers le collecteur d'échappement et une autre partie vers les conduits d'admission des cylindres, la quantité de gaz d'échappement recyclés dans un cylindre étant d'environ 50 à 70 % de la cylindrée unitaire du moteur Cette phase est représentée schématiquement en figure 1, où l'on voit la soupape d'échappement 16 ouverte, ce qui permet aux gaz d'échappement sortant d'un cylindre de passer dans le conduit 20 raccordé à ce cylindre et d'etre amenés, pour partie, au collecteur d'échappement et, pour partie, au collecteur d'admission d'un autre cylindre, représenté en figure On voit sur cette figure que la soupape d'admission 10 de cet autre cylindre est ouverte et que le piston 30 de ce cylindre descend pendant une première partie de phase d'admission. Les gaz d'échappement amenés dans ce cylindre par le conduit 24 sont sous pression et repoussent vers le collecteur d'admission 14 le volume d'air frais qui était contenu initialement dans le conduit d'admission 12. De cette façon, sont les gaz d'échappement recyclés qui pénètrent dans le cylindre et le remplissent au fur et à mesure de la descente du piston 30. La seconde partie de la phase d'admission est représentée schématiquement en figure 3, où le piston 30 est au voisinage de son point mort bas. Le cylindre n'est plus alimenté en gaz d'échappement recyclés sous pression et de l'air frais est aspiré depuis le collecteur d'admission 14 dans le conduit d'admission 12 par descente du piston 30, l'air frais finissant de remplir le cylindre et occupant le haut de celui-ci. Les différences nature et de température des gaz d'échappement qui remplissent le bas du cylindre et de l'air frais qui remplit le haut du cylindre font que ces gaz différents n'ont pas tendance à se mélanger, l'air frais restant séparé des gaz d'échappement. Pendant la phase suivante de compression, le piston remonte à l'intérieur du cylindre une quantité prédéterminée d'essence est injectée dans la partie supérieure du cylindre, cette quantité d'essence étant fonction de la quantité d'air frais admise dans le cylindre de façon à ce la combustion du mélange air-essence soit sensiblement stoechiométrique (le rapport air-essence étant voisin de 14,7 en poids). dispositif selon l'invention qui vient d'être décrit permet donc une combustion stratifiée dans les cylindres, dont les parties inférieures sont remplies de gaz d'échappement recyclés et dont les parties supérieures comprennent un mélange air- essence au rapport stoechiométrique, pour le régime de ralenti et les faibles charges. En variante, c'est un mélange air-essence à composition stoechiométrique qui est admis dans le cylindre pendant la seconde partie de, la phase d'admission. La figure 5 montre la distribution des admissions de gaz d'échappement recyclés dans le cas d'un moteur à six cylindres en V, dont le cycle de fonctionnement des cylindres est 1-5-3-6-2=4. La figure 6 représente un exemple de distribution des admissions de gaz d'échappement recyclés pour un moteur à huit cylindres en V, dont le cycle de fonctionnement est 1-8-2-7-4-5-3-6. On se réfère maintenant aux figures 7 à 17 concernant un second mode de réalisation de l'invention, applicable en particulier au cas d'un moteur de quatre cylindres ou de moins de quatre cylindres en ligne. Dans ce cas, les gaz d'échappement d'un cylindre sont recyclés à l'admission du même cylindre et les moyens de recyclage comportent un réservoir tampon muni de clapets d'entrée et de sortie, permettant de retarder l'admission des gaz d'échappement recyclés dans le cylindre. Comme on le voit aux figures 7 et 9 sont des vues en coupe verticale selon les lignes A-A à l'échappement et B-B à l'admission, respectivement, la figure 8, le conduit d'échappement de chaque cylindre est relié par le conduit 20 à un réservoir cylindrique 32 dans lequel deux chambres juxtaposées et 36 sont séparées par une cloison partielle 38, la chambre 34 étant raccordée par le conduit 20 au conduit d'échappement 18 du cylindre, chambre 36 étant raccordée par un conduit de recyclage 40 au conduit d'admission 12 du même cylindre. Un clapet élastiquement déformable 42 est monté a l'entrée de la chambre 34 dans le réservoir cylindrique- 32 et permet d'obturer l'entrée de la chambre 34 quand la pression dans le conduit 20 est inférieure à une valeur prédéterminée, et l'autre chambre 36 est équipée d'un clapet élastiquement déformable 44 à sa jonction avec le conduit 40, permettant obturer ce conduit quand la pression dans la chambre 36 diminue au-dessous d'une valeur prédéterminée. Comme dans le mode de réalisation precédent, le conduit 20 est équipé d'un volet 26 de réglage, monté pivotant entre une position de recyclage de gaz d échappement dans le cylindre et une position de non recyclage des gaz d'échappement, qui sont alors dirigés en totalité vers le collecteur d'échappement. volet 26 est monté à l'entrée de la chambre précitée 34, à la jonction avec un conduit menant au collecteur d'échappement. Le fonctionnement de cette variante de réalisation va être maintenant décrit en référence aux figures 10 et suivantes. Lorsque le moteur fonctionne en combustion stoechiométrique, tous les volets 26 sont en position de fermeture des entrées dans les réservoirs tampons 32, comme représenté en figure 10, et les gaz d'échappement des cylindres sont dirigés en totalité vers le collecteur d'échappement. Dans ces conditions, en l'absence de pression de gaz d'échappement, les clapets 42 et 44 des chambres 34 et 36 des réservoirs tampons 32 sont en position de fermeture. En fin d'admission, lorsque soupape d'admission 10 se ferme, l'inertie de la veine d'air frais aspirée depuis le collecteur d'admission 14 fait que cette veine d'air vient buter la soupape 10 et tend à refluer vers le collecteur admission, et des ondes de pression se propagent en sens inverse dans le conduit 40 qui sert ainsi de résonateur entre le volet 44 en position de fermeture le conduit d admission 12 et permet l'amortissement des ondes de pression précitées, en réduisant les effets parasites dans le conduit d'admission 12 et le collecteur d admission 14 (figure 11). Lorsque le moteur est au ralenti ou en charge faible, les volets 26 sont amenés en position d ouverture comme représenté en figure 12 de sorte qu'à l'échappement, une partie des gaz est dirigée vers le collecteur d'admission comme représenté par la flèche 46 et l'autre partie des gaz d'échappement est admise dans la chambre 34 du réservoir tampon 32. La pression des gaz provoque l'ouverture du clapet d'entrée 42, les gaz d'échappement pénètrent de façon tangentielle à l'intérieur du réservoir cylindrique 32 et tourbillonnent dans celui-ci comme indiqué en 48 pour gagner l'autre chambre 36 du réservoir 32. Quand le piston arrive à son point mort haut, comme représenté en figure 13, et que la soupape d'échappement se ferme, la pression des gaz d'échappement dans conduit d'échappement 18 et dans le conduit 20 diminue, ce qui provoque la fermeture du clapet d entrée 42. En même temps, et comme représenté en figure 14, la pression des gaz d'échappement dans le réservoir tampon 32 a ouvert le clapet de sortie 44 les gaz d'échappement sont passés dans le conduit 40 et ont gagné le conduit d'admission 12 du cylindre, où ils repoussent vers le collecteur d'admission l'air frais contenu dans le conduit d'admission 12. Ensuite, le piston 30 commence à descendre, la soupape d'admission s'ouvre et les gaz d'échappement pénètrent dans le cylindre et le remplissent pendant une première partie de la phase d'admission (figure 15) jusqu'à ce que le clapet de sortie 44 se referme en raison de la diminution de la pression des gaz d échappement dans le réservoir tampon 32. Quand le piston 30 arrive au voisinage de son point mort bas (figure 16), de l'air frais est aspiré dans le haut du cylindre depuis le collecteur d'admission 14 et le conduit d'admission 12. Ensuite (figure 17), la soupape d'admission 10 se ferme, et le piston 30 commence à remonter dans le cylindre en comprimant les gaz 'il contient, mais sans mélanger le volume supérieur d'air frais au volume inférieur de gaz d'échappement recyclés. Comme on l'a vu, ce dispositif présente de nombreux avantages le conduit 40 d'amenée des gaz d'échappement recyclés dans le conduit d'admission du cylindre sert de resonateur à la fermeture de la soupape d'admission 10, les clapets 42 et 44 forment des clapets anti- retour, interdisant respectivement la circulation des gaz 'échappement recyclés en sens inverse de celui qui vient d'être décrit, - l'amenée des gaz d'échappement recyclés sous pression dans les cylindres du moteur réduit le phénomène de pompage, c'est-à-dire le travail que doit fournir le moteur pour aspirer les gaz d'admission, - même en cas de recyclage d'une partie des gaz d'échappement dans les cylindres du moteur les gaz d'échappement qui sont amenés à un catalyseur trifonctionnel sont toujours issus d'une combustion stoechiométrique, le recyclage d'une proportion élevee de gaz d'échappement (de 50 à 70 % environ de la cylindrée unitaire) dans chaque cylindre du moteur permet une réduction de la consommation d'essence de la pollution au ralenti et aux faibles charges. variante de réalisation décrite en référence aux figures 7 à 17 s'applique bien entendu à tous les moteurs à cylindres en ligne, quel que soit le nombre de cylindres, tandis que le mode de réalisation des figures 1 à 4 est plus particulièrement destiné aux moteurs à cylindres en V. L'invention est également applicable aux moteurs à deux soupapes d'échappement et à deux soupapes d'admission par cylindre, comme indiqué plus haut. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'alimentation d'un moteur à combustion interne, en particulier pour véhicule automobile, comprenant un recyclage 'une partie des gaz d'échappement dans les cylindres du moteur au ralenti et à charge faible, pour réduire les quantités de composés polluants dans les gaz d'échappement rejetés à l'atmosphère caractérisé en ce qu'il consiste, dans une première partie de la phase d'admission dans un cylindre, introduire dans le cylindre des gaz d'échappement recyclés, sensiblement sans les mélanger à de l'air frais, puis dans une seconde partie de la phase d'admission, à introduire dans le cylindre uniquement de l'air frais, pour former dans le cylindre un volume d'air frais au-dessus d'un volume de gaz échappement, la quantité de carburant amenée dans le cylindre pour la combustion étant sensiblement au rapport stoechiométrique avec la quantité d' ' frais admise dans le cylindre. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité de gaz d'échappement introduits dans le cylindre pendant la première partie de la phase d'admission est comprise entre 50 et 70 % environ de la cylindrée unitaire. 3 - Dispositif d'alimentation pour un moteur à combustion interne, en particulier pour véhicule automobile, comprenant des moyens (20, 26) de recyclage dans les cylindres du moteur d'une partie des gaz d'échappement au ralenti et à faible charge, caractérisé en ce que ces moyens de recyclage comprennent des conduits (20, 24, 40) dont chacun relie un conduit d'échappement (18) à conduit d'admission (12) d'un cylindre et comporte un volet de réglage de la quantité de gaz d'échappement recyclés dans un cylindre, et des moyens (28) de commande des volets de réglage, de sorte , dans première partie de la phase d'admission dans un cylindre, des gaz d'échappement sont introduits dans ce cylindre sans être mélangés à de l'air frais puis, dans une seconde partie de la phase d'admission, de l'air frais est introduit dans le cylindre, en formant dans celui-ci un volume d'air frais dessus d'un volume de gaz d'échappement recyclés. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la quantité de carburant introduite dans le cylindre pour la combustion est sensiblement au rapport stoechiométrique avec la quantité d'air frais admise dans le cylindre pendant la deuxième partie de la phase d'admission précitée. 5 - Dispositif selon la revendication Sou 4, caractérisé en ce que la quantité de gaz d'échappement recyclés dans le cylindre comprise entre 50 et 70 % environ de la cylindrée unitaire. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que chaque conduit d'échappement (18) d'un cylindre est relié à un réservoir tampon (32) équipé de clapets d entrée et de sortie (42, 44), pour réaliser, au niveau des gaz d'échappement recyclés, un déphasage entre l'échappement d'un cylindre et l'admission des gaz d'échappement recyclés dans un cylindre. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les clapets d'entrée et de sortie (42, 44) des réservoirs tampons ( sont commandés par la pression. - Dispositif selon la revendication ou 7, caractérisé en ce que le réservoir tampon (32) relie le conduit d'échappement (18) d'un cylindre au conduit d'admission (12) du même cylindre ou d'un cylindre différent. - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que, quand le volet de sortie (44) réservoir tampon (32) est fermé, le conduit (40) reliant le réservoir tampon (32) au conduit d'admission (12) du cylindre forme un résonateur pour l'air frais circulant dans ce conduit d'admission à la fermeture de la soupape d'admission. - Dispositif selon l'une des revendications 3 à 9 caractérisé en ce que, chaque cylindre comportant deux soupapes d'admission montées dans deux conduits d'admission et deux soupapes d'échappement montées dans deux conduits d'échappement, les deux cdnduits d'échappement du cylindre sont reliés par deux conduits de recyclage précités à deux conduits d'admission d'un cylindre.