Brevet FR2803626A1 — publié le 20010713

MOTEUR À COMBUSTION INTERNE À INJECTION DIRECTE À SOUPAPES COMMANDÉES La présente invention est relative à un moteur à combustion interne à injection directe. Plus particulièrement, l'invention relative aux moteurs comprenant un arbre à came et moins deux cylindres, dans chaque cylindre se déplace piston qui est relié à au moins deux soupapes d'admission chacune placée dans un conduit d'admission et au moins une soupape d'échappement. Dans moteurs à injection directe habituellement rencontrés, mélange air/essence est préparé de manière à favoriser baisse de la consommation du carburant et des émissions de C02. Pour cela, il est connu réaliser des têtes de piston profilées. Toutefois, ceci peut être insuffisant pour les moteurs de faibles cylindrées dans la mesure où le parcours moyen du carburant ' 'ecté dans les cylindres est très faible, ce qui peut induire des ratés de combustion par manque d'évaporation. I1 est alors nécessaire de stabiliser la combustion en brassant le mélange d'air et de carburant. A cet effet, il est connu de créer des champs de vitesses des gaz à l'intérieur de la chambre de combustion en utilisant des combinaisons de pistons correctement profilés et des dispositifs mécaniques situés en amont des soupapes d'admission. On crée ainsi deux types de champs de vitesses turbulents . l'un des champs de vitesses est dit "rotationnel" ("SWIRL"), c'est-à-dire que les gaz s'écoulent perpendiculairement à l'axe du cylindre tandis que l'autre des champs de vitesses est dit "axial" ("TUMBLE") dans la mesure où les gaz se déplacent parallèlement à l'axe dudit cylindre. Toutefois, ces dispositifs mécaniques alliés à la forme de la tête du piston, sont coûteux et ne permettent pas d'obtenir à tous les régimes moteur des champs vitesses axiaux et rotationnels correctement adaptés. surcroît les volumes morts créés dans les conduits d'admission dans lesquels sont présents les dispositifs mécaniques, peuvent avoir des effets de reflux du gaz ou mélange gaz/combustible indésirables. présente invention a pour but de pallier inconvénients par des moyens plus précis et d'un rendement fluidique supérieur. A cet effet, selon l'invention, un moteur à combustion interne du type précité est essentiellement caractérisé en ce que le déplacement desdites soupapes est indépendant de la rotation de l'arbre à came et est commandé par un calculateur, en ce que les conduits d'admission sont conformés pour provoquer un champ de vitesses de l'air à l'intérieur du cylindre parallèle à l'axe de ce cylindre, et en ce que le calculateur commande, cylindre par cylindre, les instants d'ouverture et de fermeture d'au moins deux soupapes pour adapter la forme du champ de vitesses de l' à l'intérieur du cylindre au régime moteur. Ainsi, grâce à ces dispositions, il est possible de contrôler à tout instant le champ de vitesses à l'intérieur du cylindre grâce à la commande électronique des soupapes. Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - le moteur est un moteur à allumage commandé ; - calculateur commande le mouvement des deux soupapes admission pour créer un champ vitesses choisi parmi les champs de vitesses parallèles à 'axe du cylindre et rotationnels autour de l'axe du cylindre ; - la forme de la tête du piston profilée pour provoquer, lors du mouvement du piston, 1 des mouvements axial et rotationnel du champ de vitesses l'air ; - le calculateur commande la vitesse de déplacement de chaque soupape d'admission ; - le calculateur contrôle les soupapes d'admission pour provoquer un champ de vitesses rotationnel lors du fonctionnement à charge réduite du moteur et un champ de vitesses axial lors du fonctionnement à charge élevée du moteur ; - le calculateur contrôle les soupapes d'admission pour obtenir une transition continue de 1 un des champs de vitesse axial et rotationnel vers l'autre des champs de vitesses axial et rotationnel ; et - le calculateur contrôle les instants d'ouverture et de fermeture de ladite au moins une soupape d'échappement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de l'une ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: - figure 1 qui est une vue schématique d'un cylindre un moteur à combustion interne à injection directe, muni de deux soupapes d'admission et de deux soupapes d'échappement qui sont commandées par un calculateur ; - les figures 2a et 2b sont des graphes montrant respectivement les mouvements synchronisés des soupapes d'admission selon l'art antérieur ; - les figures 3a et 3b montrent respectivement le mouvement des soupapes d'admission selon la présente invention pour obtenir un champ du type TUMBLE, à condition les conduits d'aspiration soient conçus origine pour favoriser ce type d'écoulement ; - les figures 4a et 4b montrent respectivement le mouvement des soupapes d'admission selon la présente invention pour obtenir un champ du type SWIRL et - les figures 5a et 5b montrent le mouvement des soupapes d'admission selon la présente invention pour passer manière continue d'un champ du type SWIRL à un champ du type TUMBLE. A la figure 1 est représenté schématiquement l'un cylindres 1 d'un moteur à combustion interne à injection directe. Ce moteur est de préférence à allumage commandé. Dans ce cylindre 1 se déplace un piston 2 qui possède une tête 3 en amont de laquelle sont situées deux soupapes d'admission 4 et 5 ainsi que deux soupapes d'echappement 6 et 7. Chacune des soupapes d'admission 4 et 5 est placée dans un conduit d'admission 8 et 9 et les soupapes d'échappement 6,7 sont respectivement placées dans conduits d'échappement 10,11. Afin d'injecter du carburant à 1 intérieur du cylindre 1, un injecteur (non représenté) est positionné, de manière connue en soi, au dessus de la tête 3 du piston 2. Ce carburant se mélange avec l'air admis par les soupapes d'admission 4 et 5. Les soupapes d'admission 4 et 5 sont par exemple des soupapes électromagnétiques dont l'ouverture et la fermeture sont commandées, selon la présente invention, par un calculateur 15 de contrôle moteur. Ce calculateur commande ailleurs l'injecteur et l'allumage. Les soupapes 4 et sont par exemple du type décrit dans le document 99/06677. Le piston 2 se déplace alternativement verticalement selon son axe X-X. Sa tête 3 est de forme profilée pour provoquer, entre autre, dans la mesure du possible selon ses caractéristiques, des champs de vitesses à l'intérieur du cylindre de formes différentes selon le régime moteur et la charge moteur. La tête de piston est par exemple celle decrite dans le document FR 98 10293. Typiquement, afin de brasser le mélange air/carburant, deux types de champ de vitesses sont créés. Un premier champ est appelé champ de vitesses "axial" ou "TUMBLE" dans lequel les gaz se déplacent parallèlement à l' X-X du piston et un deuxième champ de vitesses appelé "champ rotationnel" ou "SWIRL" dans lequel les gaz déplacent perpendiculairement à l'axe X-X du cylindre. En particulier le champ de vitesses SWIRL est crée lorsque la charge du moteur est faible et le champ vitesses TUMBLE est crée lorsque la charge du moteur élevee. Selon la présente invention, la forme des parties constitutives du moteur, et notamment la forme des conduits d'admission 8, 9, sont adaptées pour obtenir, par construction, un champ de vitesses TUMBLE. Le passage du champ de vitesses TUMBLE au champ de vitesses SWIRL et inversement, est obtenu, selon la présente invention, par la commande électronique des soupapes d'admission 4 et 5. Celles-ci ne sont pas reliées à un vilebrequin du moteur de sorte qu'elles peuvent être commandées indépendamment l'une de l'autre et indépendamment du cycle moteur. Les figures 2a et 2b montrent respectivement que le mouvement des soupapes d'admission 4, 5 de l'art antérieur est lié à 'angle de rotation du vilebrequin du moteur. Les soupapes donc un mouvement qui ne peut être commandé indépendamment du cycle moteur de sorte que mouvement des soupapes permet pas de modifier le champ de vitesses, notamment durée de pleine ouverture Atl très faible et non variable. Au contraire, selon la présente invention, les figures 3a à 5b montrent que la commande électronique des soupapes d'admission rend le mouvement de ces soupapes indépendant de celui du vilebrequin et permet de modifier ou ne pas modifier de façon volontaire, le champ de vitesses selon le régime et la charge moteur. Ainsi, en provoquant l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission sensiblement simultanément respectivement aux instants t1 et t2 comme cela est représenté aux figures 3a et 3b, le calculateur 15 permet de ne pas modifier le champ du type TUMBLE créé par la forme des parties constitutives du moteur. Le calculateur permet en outre de contrôler la durée d'ouverture At3 des soupapes d'admission pour obtenir un effet TUMBLE maximum. La commande électronique permet de plus de commander la vitesse d'ouverture et la vitesse de fermeture des soupapes d'admission pour obtenir une modification plus ou moins rapide du champ de vitesses. La vitesse d'ouverture peut notamment être différente de la vitesse de fermeture. Lorsque la charge du moteur devient réduite, il est necessaire de stabiliser la combustion, en créant un champ vitesse rotationnel (SWIRL) élevé. Selon la présente invention, ce champ SWIRL est obtenu par la commande électronique des soupapes d'admission. Pour obtenir un effet SWIRL maximum, calculateur commande à l'ouverture en un instant t4 l'une des deux soupapes d'admission 4,5 et maintient fermée l'autre soupape d'admission 5, comme cela est schématisé figures 4a et 4b. La durée d'ouverture At4 est également contrôlée. De plus, la commande électronique des instants d'ouverture et de fermeture de chacune de ces soupapes d'admission, permet de passer de l'un de ces champs à l'autre des champs de manière continue. Par exemple, aux figures 5a et 5b est représentée commande des soupapes pour passer du champ SWIRL au champ TUMBLE. L'ouverture de la deuxième soupape d'admission 5 un instant t8 est postérieure à l'ouverture de la première soupape d'admission 4 en instant t6, tandis que ces deux soupapes sont fermées quasi simultanément. Les durées respectives d'ouverture àt5 et àt6 ne sont donc pas égales. Grâce à la commande électronique des soupapes, il est ainsi possible de stabiliser un champ de vitesses hautement turbulent (SWIRL ou TUMBLE) de façon à permettre la combustion d'un mélange air/essence extrêmement pauvre et ainsi réduire la consommation de carburant sans nécessiter la présence de dispositifs mécaniques peu précis dans les conduits d'admission, en amont des soupapes d'admission. Notamment, les conduits d'admission sont d'un dessin simplifié favorisant l'effet TUMBLE (conduits d'admission droits) et provoquant une perte de charge minimale du flux traversant. Par ailleurs, les soupapes d'échappement 6 et 7 sont également pilotées électroniquement. Ainsi, outre les modes de fonctionnement connus c'est à dire, balayage (évacuation des gaz du cylindre) et l' interne (recirculation des gaz d'échappement), il est possible de stabiliser la température de la chambre de combustion pour favoriser l'évaporation du jet de carburant. A cet effet, on module les lois de balayage et d'EGR interne la commande des instants d'ouverture et de fermeture soupapes d'échappement 6 et 7 pour faire recirculer quantité de gaz d'échappement supplémentaire et nécessaire pour stabiliser la température moyenne dans la chambre de combustion à une valeur appropriée. Ceci est particulierement intéressant lorsque la charge est réduite puisque température est alors naturellement basse. On comprend que la commande électronique des soupapes d'admission et d'échappement peut en outre est réalisée de manière indépendante pour chaque cylindre du moteur pour stabiliser au mieux la combustion. Lors de la mise au point du moteur, les paramètres de contrôle des soupapes qui sont élaborés pour chaque cylindre en fonction du point de fonctionnement du moteur f(n,q) où n est le régime moteur et q est la charge, sont implantés dans des mémoires cartographique dans le calculateur de contrôle moteur. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne ' injection directe comprenant un arbre à came et au moins deux cylindres (1), dans chaque cylindre se déplace un piston (2) qui est relié à au moins deux soupapes d'admission ( ,5) chacune placée dans un conduit d'admission (8,9) et moins une soupape d'échappement (6,7), caractérisé en ce que le déplacement desdites soupapes est indépendant de la rotation de l'arbre à came et est commandé par un calculateur (15), en ce que les conduits d'admission (8,9) sont conformés pour provoquer un champ de vitesses de l'air à l'intérieur du cylindre parallèle à l'axe (X-X) de ce cylindre et en ce que le calculateur (15) commande, cylindre par cylindre, les instants d'ouverture et de fermeture d'au moins deux des soupapes pour adapter la forme du champ de vitesses de l'air à l'intérieur du cylindre au régime moteur. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur est un moteur à allumage commandé. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le calculateur (15) commande le mouvement des deux soupapes d'admission (4,5) pour créer champ de vitesses choisi parmi les champs de vitesses parallèles à l'axe (X-X) du cylindre (1) et rotationnels autour de l'axe (X-X) du cylindre (1). 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la forme de la tête (3) du piston (2) est profilée pour provoquer, lors du mouvement piston, l'un des mouvements axial et rotationnel du champ de vitesses de l'air. 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le calculateur commande la vitesse de déplacement de chaque soupape admission (4,5). 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le calculateur (15) contrôle les soupapes d'admission (4,5) pour provoquer un champ de vitesses rotationnel lors du fonctionnement à charge reduite du moteur et un champ de vitesses axial lors du fonctionnement à charge élevée du moteur. 7. Moteur selon l' quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce le calculateur (15) contrôle les soupapes d'admission 5) pour obtenir une transition continue de l'un des champs vitesse axial et rotationnel vers l'autre des champs de vitesses axial et rotationnel. 8. Moteur selon l' quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce le calculateur (15) contrôle les instants d'ouverture et fermeture de ladite au moins une soupape d'échappement (6,7).