Brevet FR2835882A1 — publié le 20030815

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE, NOTAMMENT A ESSENCE, EQUIPE D'UN TURBOCOMPRESSEUR ET D'UNE DISTRIBUTION VARIABLE. La présente invention concerne un moteur à combustion interne équipé d'un turbocompresseur et d'une distribution variable. On sait que dans un moteur à essence suralimenté, il est possible de prévoir une distribution variable, notamment à l'échappement où les commandes des ouvertures et fermetures des soupapes de sortie des gaz brûlés, prévues sur chaque cylindre du bloc moteur, sont pilotées par des moyens mécaniques, électromécaniques ou électrohydrauliques. Dans ce but, chaque cylindre comporte au moins deux soupapes d'échappement dont les commandes sont indépendantes l'une de l'autre. On connaît par ailleurs l'avantage procuré par la suralimentation du moteur, en ce qui concerne la puissance et la réduction relative de la consommation en carburant. L'invention a pour objet un dispositif à turbocompresseur pour l'alimentation d'un moteur à combustion interne, qui combine les deux avantages précités, permettant d'obtenir avec de petits moteurs suralimentés les performances de plus gros moteurs atmosphériques, tout en diminuant la consommation de carburant. Il s'avère cependant que l'usage d'un turbocompresseur engendre ordinairement un coût de fabrication plus élevé qu'un dispositif à moteur atmosphérique du fait de l'utilisation de matériaux plus résistants pour constituer les circuits d'échappement, en raison des contraintes thermiques à supporter et également du fait du prix de revient du turbocompresseur comprenant lui-même un ensemble réglable de contrôle de charge, communément appelé"Wastegate". En outre, un tel turbocompresseur, pour une charge donnée du moteur, introduit une limitation du fait de son temps de réponse, relativement long. De plus, lors d'un démarrage à froid, le catalyseur du pot d'échappement sur lequel passent les gaz sortant du turbocompresseur avant rejet à l'atmosphère, atteint sa température optimale au bout d'un temps relativement long, ce qui est défavorable à l'égard de l'environnement. Dès lors, à très faible charge et à froid, il convient que le turbocompresseur ne travaille pratiquement pas, le moteur ne délivrant qu'un travail minimal. Or, c'est précisément pendant cette phase qu'il importe d'amener le maximum de calories sur le catalyseur du pot d'échappement pour le rendre efficace le plus rapidement possible. La ligne d'échappement comportant, à la sortie des cylindres du bloc moteur, un collecteur des gaz généralement très massif, la turbine du turbocompresseur actionnée par ces gaz, une conduite de sortie de la turbine et enfin le catalyseur du pot, il s'avère que l'inertie thermique de l'ensemble est beaucoup plus élevée que celle d'un moteur atmosphérique. La température des gaz d'échappement dans cette ligne diminue sensiblement, ce qui va à l'encontre de la nécessité d'apporter au catalyseur un maximum de calories. Pour pallier cet inconvénient, la solution actuelle (voir par exemple le brevet FR-A-2 752 880) consiste à retarder le plus possible la combustion des gaz dans les cylindres du bloc moteur pour obtenir à la sortie de celui-ci les gaz les plus chauds possible, ce qui se produit cependant au détriment du rendement et de l'économie de la consommation en carburant. A pleine charge, le travail délivré par le moteur est directement lié à la masse d'air pouvant être admise dans chaque cylindre. Le turbocompresseur permet d'accroître cette masse en jouant sur la pression d'admission, le travail nécessaire à la compression de l'air étant fourni par la turbine qui transforme 11 énergie des gaz d'échappement en un travail mécanique. Néanmoins, pour certains régimes de pleine charge, on constate que l'énergie des gaz d'échappement est trop importante par rapport au travail exigé par le turbocompresseur. Dans ce cas, la"Wastegate"s'ouvre, en permettant d'envoyer directement au catalyseur du pot une partie du débit des gaz d'échappement, sans passer par la turbine du turbocompresseur. Le dispositif selon la présente invention permet de résoudre simplement les problèmes ainsi exposés, en utilisant les degrés de liberté fournis par un système à distribution variable tout en modifiant l'architecture de la ligne d'échappement à la sortie des cylindres, grâce à une spécialisation des soupapes de sortie de ces gaz hors des cylindres. L'invention vise ainsi un moteur à combustion interne, notamment à essence, équipé d'un turbocompresseur et d'une distribution variable, chaque cylindre du moteur comportant au moins deux soupapes d'échappement associées à des moyens de commande d'ouverture et de fermeture indépendants pour chaque soupape, la ligne d'échappement du moteur comportant un catalyseur. Suivant l'invention, ce moteur est caractérisé en ce que le turbocompresseur est dépourvu de dispositif de décharge des gaz, en ce que le conduit d'échappement associé à l'une des deux soupapes d'échappement de chaque cylindre communique directement avec la turbine du turbocompresseur, tandis que le conduit d'échappement de l'autre soupape d'échappement communique directement avec la partie de la ligne d'échappement comprise entre la turbine et le catalyseur et en ce que ladite distribution variable comprend des moyens de commande pour maintenir fermées lesdites soupapes d'échappement associées à la turbine et faire fonctionner normalement lesdites soupapes d'échappement associées au catalyseur durant la phase de réchauffage du moteur et lorsque ce dernier est sous faible charge, ladite distribution variable comprenant en outre des moyens de commande pour répartir le débit des gaz d'échappement entre chacune desdites soupapes d'échappement et la turbine d'une part et le catalyseur d'autre part lorsque le moteur est à sa température normale et est sous charge moyenne et forte. De préférence, la tête de la soupape d'échappement associée au catalyseur et le conduit correspondant ont un diamètre plus faible que celui de la tête de la soupape d'échappement associée à la turbine et celui du conduit correspondant. Plus précisément, la tête de la soupape d'échappement associée au catalyseur et le conduit correspondant ont un diamètre adapté au débit maximal de gaz brûlés à évacuer sur le catalyseur parmi tous les points de fonctionnement du moteur. Cette adaptation permet d'avoir une petite soupape liée au catalyseur et une plus grosse soupape liée à la turbine. Le dispositif selon l'invention évite notamment la présence d'une"Wastegate", c'est-à-dire d'un ensemble à positionnement réglable et variable en fonction de la charge du moteur, répartissant le débit des gaz d'échappement, soit vers la turbine du turbocompresseur, soit vers le catalyseur du pot. Le moteur ne nécessite plus ainsi de dispositif propre à faire varier le débit des gaz d'échappement alimentant la turbine selon la charge du moteur, ce qui simplifie fortement sa structure et diminue son coût. A faible charge, les soupapes associées à la turbine sont fermées de manière que les gaz d'échappement soient directement envoyés sur le catalyseur du pot à travers les autres soupapes, ce qui permet au catalyseur d'atteindre rapidement la température optimale. A forte charge, les soupapes associées au catalyseur envoient directement une fraction des gaz d'échappement sur le catalyseur, tandis que les soupapes associées à la turbine s'ouvrent sur un circuit alimentant la turbine du turbocompresseur. De façon en soie connue, le bloc moteur est à distribution variable à l'échappement, de manière à régler les instants d'ouverture et de fermeture des soupapes et/ou à moduler pour chacune de ces soupapes les hauteurs de levée, afin de contrôler l'énergie apportée à la turbine et dériver le complément directement sur le catalyseur. Dans le cas d'un moteur suralimenté, la pression résiduelle dans chaque cylindre au moment de l'ouverture à l'échappement est très importante. Dès lors, plus la soupape a un gros diamètre, plus l'effort d'ouverture sera élevé et plus le travail nécessaire à cette ouverture sera important, ce qui fera croître d'autant la consommation en carburant. En revanche, avec une soupape plus petite qui fait chuter la pression dans le cylindre, il sera possible d'ouvrir l'autre soupape plus importante, dédiée à l'alimentation de la turbine, avec un effort moindre et une consommation plus réduite. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description ci-après : La figure unique annexée représente schématiquement un moteur à quatre cylindres, seize soupapes, turbocompressé selon l'invention. Le moteur à combustion interne alimenté en essence, représenté sur la figure, comprend quatre cylindres 1 dont la chambre de combustion comporte pour chaque cylindre, deux soupapes d'admission 2,3 et deux soupapes d'échappement 4,5. Le moteur est en outre équipé d'un turbocompresseur 6 et d'une distribution variable. Les soupapes d'admission 2,3 communiquent avec les compresseur 6a du turbocompresseur 6. Les soupapes d'échappement 4,5 de chaque cylindre sont associées à des moyens de commande 7 indépendants pour chaque soupape. La ligne d'échappement 8 du moteur comporte un catalyseur 9. Conformément à l'invention, le turbocompresseur 6 est dépourvu de dispositif de décharge des gaz du type communément appelé"Wastegate". Le conduit d'échappement 10 associé à l'une 5 des deux soupapes d'échappement 4,5 de chaque cylindre 1 communique directement avec la turbine 11 du turbocompresseur 6. Par ailleurs, le conduit d'échappement 12 de l'autre soupape d'échappement 4 communique directement avec la partie de la ligne d'échappement 8 comprise entre la turbine 11 et le catalyseur 9. En outre, la distribution variable comprend des moyens de commande 7 pour maintenir fermées les soupapes d'échappement 5 associées à la turbine 11 et faire fonctionner normalement les soupapes d'échappement 4 associées au catalyseur 9 durant la phase de réchauffage du moteur et lorsque ce dernier est sous faible charge. Cette distribution variable comprend de plus des moyens de commande pour répartir le débit des gaz d'échappement entre chacune desdites soupapes d'échappement 5,4 et la turbine 11 d'une part et le catalyseur 9 d'autre part lorsque le moteur est à sa température normale et est sous charge moyenne et forte. A froid et sous faible charge, le turbocompresseur n'a pas à fournir de travail de compression. Les quatre soupapes 5 reliées à la turbine restent donc fermées. Les autres soupapes 4 reliées au catalyseur 9 s'ouvrent normalement et la totalité des gaz de combustion s'échappent par les soupapes 4 en échauffant rapidement le catalyseur 9, ce qui lui permet une mise en action plus rapide que si la totalité ou une partie des gaz passait par la turbine 11. En pleine charge, il faut pouvoir contrôler l'énergie fournie à la turbine 11 en limitant le débit de gaz d'échappement qui y arrive et dériver le complément de gaz directement sur le catalyseur 9. Ce dosage de l'énergie sur la turbine 11 est possible par l'utilisation de la distribution variable à l'échappement. La distribution variable permet de caler les instants d'ouverture des soupapes, de caler les instants de fermeture et/ou de moduler les hauteurs de levée. En utilisant des stratégies de pilotage adaptées, il est relativement aisé de contrôler l'énergie apportée à la turbine et de dériver le complément de gaz directement sur le catalyseur (ce que fait une wastegate). La distribution variable peut être commandée par une unité centrale électronique qui gère simultanément l'allumage et l'injection de carburant. Dans l'exemple représenté sur la figure annexée, la tête des soupapes d'échappement 4 associées au catalyseur 9 et le conduit 12 correspondant ont un diamètre plus faible que celui de la tête de la soupape d'échappement 5 associée à la turbine 11 et celui du conduit 10 correspondant. Dans ce cas, il est possible d'utiliser les soupapes 4 comme soupapes de décharge. En effet, sur des points de charge élevés avec un moteur suralimenté, la pression résiduelle dans la chambre de combustion au moment de l'ouverture de l'échappement est très importante. Plus la soupape est grosse, plus l'effort d'ouverture sera élevé et plus le travail nécessaire à l'ouverture sera important. Quelle que soit la technologie utilisée pour actionner les soupapes (mécanique, électrique ou hydraulique), si le travail d'ouverture est important, alors la consommation de carburant ira dans le même sens. Ainsi, la petite soupape 4 fait chuter la pression dans la chambre de combustion, ce qui permet d'ouvrir la grosse soupape 5 (dédiée à la turbine) avec beaucoup moins d'efforts. REVENDICATIONS 1/Moteur à combustion interne, notamment à essence, équipé d'un turbocompresseur (6) et d'une distribution variable, chaque cylindre (1) du moteur comportant au moins deux soupapes d'échappement (4,5) associées à des moyens de commande (7) indépendants pour chaque soupape, la ligne d'échappement (8) du moteur comportant un catalyseur (9), caractérisé en ce que le turbocompresseur (6) est dépourvu de dispositif de décharge des gaz, en ce que le conduit d'échappement (10) associé à l'une (5) des deux soupapes d'échappement de chaque cylindre (1) communique directement avec la turbine (11) du turbocompresseur, tandis que le conduit d'échappement (12) de l'autre soupape d'échappement (4) communique directement avec la partie de la ligne d'échappement (8) comprise entre la turbine (11) et le catalyseur (9) et en ce que ladite distribution variable comprend des moyens de commande (7) pour maintenir fermées lesdites soupapes d'échappement (5) associées à la turbine (11) et faire fonctionner normalement lesdites soupapes d'échappement (4) associées au catalyseur (9) durant la phase de réchauffage du moteur et lorsque ce dernier est sous faible charge, ladite distribution variable comprenant en outre des moyens de commande (7) pour répartir le débit des gaz d'échappement entre chacune desdites soupapes d'échappement (4,5) et la turbine (11) d'une part et le catalyseur (9) d'autre part lorsque le moteur est à sa température normale et est sous charge moyenne et forte. 2/Moteur à combustion interne conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de la soupape d'échappement (4) associée au catalyseur (9) et le conduit (12) correspondant ont un diamètre plus faible que celui de la tête de la soupape d'échappement (5) associée à la turbine (11) et celui du conduit (10) correspondant. 3/Moteur à combustion interne conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque cylindre comporte deux soupapes d'échappement (4,5) et deux soupapes d'admission (2,3). 4/Moteur à combustion interne conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite distribution variable comprend des moyens pour modifier les instants d'ouverture et de fermeture des soupapes d'échappement (4,5) et pour modifier la hauteur de la levée de celles-ci. 5/Moteur à combustion interne conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite distribution variable comprend des moyens de commandes mécaniques, hydrauliques ou électriques. 6/Procédé de mise en oeuvre du moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste, lors des phases d'échappement, à ouvrir d'abord la soupape d'échappement (4) associée au catalyseur (9) pour faire chuter la pression dans le cylindre (1) correspondant, puis à ouvrir la soupape d'échappement (5) associée à la turbine (11) pour assurer l'évacuation complète des gaz brûlés.