Brevet FR2840650A1 — publié le 20031212

Domaine de ['invention L'invention a pour objet un procede de commande d'un moteur a combustion interne avec reglage variable de la duree d'ouverture d'une soupape d'admission d'un cylindre du moteur. s L'invention concerne egalement un dispositif pour com mander un moteur a combustion interne par des moyens servant au re glage variable du temps d'ouverture d'un cylindre du moteur. Etat de la technique On connat deja des moteurs a combustion interne equipes to de commandes de soupape totalement variables, par exemple sous la forme de commandes hydrauliques de soupapes. De plus, le document DE 198 46 111 A1 decrit un procede pour augmenter le couple d'un moteur a combustion interne. Afin que meme a une vitesse basse du moteur se produise un effet de suralimenta s tion augmentant le couple, le clapet d'etranglement dans la tubulure d'admission est ferme au debut de ['aspiration effectuee par chaque cylin dre. Le clap et est a nouveau ouvert apres un certain temp s de retard di mensionne de maniere que ltonde de pression produite par la fermeture du clapet d'etranglement dans la tubulure d'admission atteigne une ou plu sieurs soupapes d'echappement presentes dans le cylindre juste avant la fermeture de ces soupapes, en provoquant une suralimentation. On connat aussi par exemple le vehicule Eunos 800N de la firme Mazda dont le moteur est un moteur Miller. Dans ce moteur, le temps de compression est reduit, ce qui entrane un taux de compression s teas et un rapport d'expansion eleve. Avantages de ['invention Dans le but d'eviter les inconvenients evoques ci-dessus, le pro cede selon ['invention est caracteris e en ce quten fonction d'une gran deur de fonctionnement du moteur en particulier de sa vitesse de rotation, on distingue deux etats de fonctionnement, dans le premier etat de fonc tionnement, pendant une phase d'aspiration, la soupape d'admission est ouverte avec retard, dans le second etat de fonctionnement, la fermeture de la soupape d'admission est retardee et a lieu pendant la phase de com pression. s Le dispositif selon ['invention est caracterise par des moyens pour distinguer deux etats de fonctionnement en fonction d'une grandeur de fonctionnement, en particulier la vitesse de rotation du mo teur, des moyens pour retarder l'ouverture de la soupape d'admission pendant une phase d'aspiration, dans le premier etat de fonctionnement, des moyens pour retarder la fermeture de la soupape d'admission pendant la phase de compression, dans le second etat de fonctionnement. L'avantage est qu'en fonction d'une grandeur de fonction s nement, en particulier la vitesse de rotation du moteur, celui-ci presente deux etats differents de fonctionnement. Dans le premier etat, pendant ['aspiration, l'ouverture de la soupape d'admission est retardee tandis que dans le second etat de fonctionnement, ctest la fermeture de la soupape d'echappement qui est retardee et effectuee pendant une phase de com o pression. De cette maniere, le moteur peut fonctionner au mieux dans des etats differents avec des contraintes concernant le temps d'ouverture de la soupape d'echappement. On peut ainsi, dans le premier etat de fonction- nement, obtenir une suralimentation du cylindre sans utiliser un com- presseur additionnel. Dans le second etat de fonctionnement, on peut s reduire la compression effective et ainsi obtenir une meilleure resistance au cliquetis et une temperature plus falble des gaz d'echappement en par- ticulier a pleine charge, et done un rendement plus eleve. Les dispositions indiquees dans les revendications secon- daires permettent de developper et d'ameliorer avantageusement le proce o de indique dans la revendication principale. I1 est particulierement avantageux que le gaz frais amene au moteur soit comprime par un turbo-compresseur entrane par les gaz d'echappement. Ce turbo-compresseur, en particulier dans le premier etat de fonctionnement, renforce l'effet de suralimentation du cylindre resul s tent de l'ouverture tardive de la soupape d'echappement. Dans le second etat de fonctionnement, des pertes dues a des retours resultant de la fer- meture retardee de la soupape d'admission, vent compensees. Un autre avantage est obtenu en selectionnant le seuil pre- determine de la grandeur de fonctionnement de maniere que le premier so etat de fonctionnement corresponde au demarrage. Ainsi, en utilisant la vitesse du moteur comme grandeur de fonctionnement, un turbo- compresseur eventuellement present et qui aux vitesses les plus basses ne peut produire une suralimentation suffisante, est soutenu par l'effet de suralimentation decrit ci-dessus, de sorte qutil n'y a pas de falblesse au ss demarrage. Ainsi, si le premier etat de fonctionnement est reconnu quand la grandeur de fonctionnement se trouve en dessous d'un seuil predefini et le second etat de fonctionnement est reconnu quand la gran deur de fonctionnement se trouve au-dessus du seuil predefini, alors avantageusement le seuil predefini est choisi de maniere que le premier etat de fonctionnement est un etat de demarrage, et le seuil predefini est choisi de maniere a permettre dans le second etat de fonctionnement, un s fonctionnement a pleine charge. Dessins Un exemple de realisation de ['invention decrit en detail ci apres est represente par les dessins dans lesquels: - la figure 1 est un schema fonctionnel presentant un moteur a combus o tion interne et un dispositif selon ['invention pour commander le mo teur, - la figure 2 est un ordinogramme explicitant le procede selon ['invention, - la figure 3 est un schema fonctionnel d'une forme de realisation du dispositif selon ['invention. s Description de ltexemple de realisation A la figure 1 est represente un cylindre 1 d'un moteur 20 du type a combustion interne par exemple, avec le piston 2 mobile dans ce cylindre qui presente une entree communiquant avec une tubulure d'admission 3 et une sortie communiquant avec une tubulure o d'echappement 4. A ltentree du cylindre se trouve au moins une soupape d'admission 5 et a la sortie au moins une soupape d'echappement 6. I1 y a de plus une bougie d'allumage 7 dans la tete du cylindre 1, pour enflam- mer le melange air-carburant comprime dans le cylindre. La position d'un vilebrequin 11 entrane par le piston 2 est saisie par un capteur du vile- s brequin 12 et transmise a un dispositif 10 commandant le moteur 20. L'appareil de commande 10 sera appele par la suite unite de commande. Cette unite 10 peut de plus recevoir du capteur d'angle de vilebrequin 12 une information sur la position actuelle du piston 2, c'est-a-dire si celui-ci est par exemple a son point mort haut OT ou a son point mort teas UT. I1 est prevu de plus une unite de mesure 50 qui mesure la vitesse de rota tion du moteur en tent que grandeur de fonctionnement du moteur 20 et la transmet a ['unite de commande 10. Celle-ci commande des moyens pour regler de maniere variable le temps d'ouverture de la soupape d'admission 5. Ces moyens 30 delivrent correlativement un signal a la 3s soupape d'admission 5, pour ouvrtr ou fermer celle-ci. I1 peut etre prevu en plus, dans la tubulure d'echappement 4, la turbine 55 d'un turbo-compresseur a gaz d'echappement 25. Cette turbine est entranee par le courant gazeux passant dans la tubulure d'echappement 4 et reliee par un arbre 65 a un compresseur 60 du turbo- compresseur a gaz d'echappement 25, qu'elle entrane. Ce compresseur est monte dans la tubulure d'admission 3, c'est-a-dire dans l'amenee du gaz frais et comprime done le gaz frais amene par la tubulure 3 au cylin s dre 1. Selon la figure 3, ['unite de commande peut etre construite comme suit. Wile comprend des moyens 35 pour distinguer deux etats de fonctionnement du moteur a combustion interne 20, et ces moyens recoi- vent de ['unite de mesure 50 la vitesse actuelle de rotation du moteur, o qutils comparent a un seuil predefini. Si la vitesse actuelle est inferieure au seuil, les moyens 35 reconnaissent un premier etat de fonctionnement qui sera dans la suite appele par exemple etat de demarrage et dans ce cas, une premiere entree 71 d'une premiere porte ET 70 est mise en ser- vice. Dans le cas ou les moyens 35 etablissent que la vitesse est au moins s egale au seuil predefini, ils reconnaissent un second etat de fonctionne- ment, dans lequel on peut regler par exemple un fonctionnement a pleine charge, mais aussi a charge partielle, du moteur 20. Le seuil de vitesse de rotation peut par exemple etre fixe a 2200 t/min. Selon le moteur, d'autres valeurs de seuil peuvent convenir pour differencier le premier etat o de fonctionnement du second. Si les moyens 35 detectent le second etat de fonctionnement, une premiere entree 76 d'une seconde porte ET 75 est mise en service par les moyens 35. Dans le cas contraire, cette entree est mise hors service. L'unite de commande 10 comprend de plus des moyens pour predeterminer le temps d'ouverture de la soupape d'admission 5. s Aux moyens 80 vent transmis par le capteur d'angle de vilebrequin 12 la position actuelle du vilebrequin 11 et la position actuelle du piston 2. Dans les moyens 80 vent enregistres pour le premier etat de fonctionne- ment un premier instant, c'est-a-dire un premier angle de vilebrequin pour ouvrir la soupape d'admission 5 et, pour le second etat de fonction so nement, un second instant, ctest-a-dire un second angle de vilebrequin pour fermer la soupape d'admission 5. Au premier instant, les moyens 80 envolent une impulsion de mise en service a une seconde entree 72 de la premiere porte ET 70. Au second instant, les moyens 80 envoient une im- pulsion de mise en service a une seconde entree 77 de la seconde porte ET ss 75. Pendant le premier etat de fonctionnement, la premiere porte ET 70 envote la premiere impulsion de mise en service des moyens 40 pour re- tarder ['instant d'ouverture de la soupape d'admission 5. En dehors du premier etat de fonctionnement, la premiere porte EI 70 n'envole aucun signal aux moyens 40. Dans le second etat de fonctionnement, la seconde porte ET 75 envole la seconde impulsion de mise en service aux moyens pour retarder ['instant de fermeture de la soupape d'admission 5. En dehors du second etat de fonctionnement, la seconde porte ET 45 n'envoie s aucun signal aux moyens 45. La sortie des moyens 40 et des moyens 45 est transmise aux moyens 30 servant au reglage variable du temps d'ouverture de la soupape d'admission 5. I1 peut etre prevu que les moyens 40 et les moyens 45 transmettent en transparence aux moyens 30 chaque impulsion de mise en service, ou transforment chaque fois cette o impulsion en un signal de commande approprie aux moyens 30. Par l'impulsion de mise en service, ou par le signal de commande eventuelle ment forme a partir de celle-ci, il est indique aux moyens 30 quand la soupape d'admission 5 doit etre ouverte dans le cas du premier etat de fonctionnement et fermee dans le cas du second etat de fonctionnement. s Les moyens 30 commandant alors la soupape d'admission 5 de facon a ouvrir a ['instant prevu cette soup ape dans le cas du premier etat de fonc tionnement ou a la fermer dans le cas du deuxieme etat de fonctionne ment. Ainsi ['instant d'ouverture prevu pour le premier etat de o fonctionnement est retarde par rapport a ['instant usuellement retenu pour ouvrtr la soupape d'admission 5 et ['instant de fermeture prevu dans le second etat de fonctionnement est egalement retarde par rapport a ['instant usuellement retenu pour fermer la soupape d'admission 5. A la figure 2, le procede selon ['invention est expose a ['aide s d'un plan de deroulement. A un point du programme lOO, les moyens 35 etablissent la vitesse actuelle du moteur. On passe ensuite au point de programme 105 ou les moyens 38 examinent si la vitesse actuelle du mo teur est au moins egale au seuil predefini. Si ctest le cas, on passe au point de programme l lO, et dans le cas contraire on passe au point 120. Au point 110, les moyens 35 autorisent par l'intermediaire des moyens 45 et de la maniere decrite, les moyens 30 a proceder avec retard a la ferme ture de la soupape d'admission 5. Ensuite le programme est abandonne ou, en option, on passe a un point de programme 115, ou ['unite de com mande 1O autorise un regulateur 85 du turbo-compresseur a gaz 3s d'echappement 25 a regler la pression de charge du turbo-compresseur , dans le second etat de fonctionnement, de facon que les pertes de re tour solent au moins compensees pendant la phase de compression. De telles pertes de retour se produisent dans le second etat de fonctionne ment quand on retarde la fermeture de la soupape d'admission pendant la phase de compression, parce que le melange gaz-carburant dans le cylin- dre 1, pendant la phase de compression retourne en partie dans la tubu- lure d'admission 3 a travers la soupape d'admission 5 encore ouverte. s L'importance des pertes de retour depend de la duree du retard a la fer- meture de la soupape. Ces pertes peuvent etre compensees par augmen- tation de la pression fournie par le turbo-compresseur 25, qui peut etre reglee par le degre d'ouverture d'une soupape d'un by-pass monte en pa- rallele avec la turbine 55. Ce degre d'ouverture est done regle par le regu o lateur 85 et plus il est grand, plus la pression de charge est faible, tandis que plus il est falble, plus est grande la pression de charge du turbo- compresseur 25. En fonction de ['instant de fermeture de la soupape d'admission, prevu pour le second etat de fonctionnement, les moyens 45 determinant la pression que doit fournir le turbo-compresseur 25 pour au s moins compenser les pertes de retour. Les moyens 45 envolent alors au regulateur 85 un signal de commande correspondent, sous la forme d'une valeur de consigne de la pression fournie par le turbo-compresseur 25. Ensuite le programme est abandonne. Au point 125 du pro- gramme, les moyens 35 autorisent de la maniere decrite ci-dessus, par o l'intermediaire des moyens 40 et des moyens 30, un retard de ['instant d'ouverture de la soupape d'admission 5. Ensuite le programme est aban- donne. Le reglage variable de la duree definie de ltouverture de la soup ap e d' admission 5 par l'intermediaire des instants d'ouverture et de s fermeture de celle-ci peut etre effectue par exemple a ['aide d'une com- mande de soupape cite electrohydraulique. Si ['instant d'ouverture de la soupape d'admission 5 est. comme decrit, choisi en retard par rapport a ['instant usuel d'ouverture, en particulier a une position angulaire du vile- brequin depassant largement le point mort haut OT, il se produit dans le so cylindre 1 une forte depression. L'ouverture retardee de la soupape 5 a lieu pendant une phase d'aspiration du gaz frais dans la tubulure d'admission 3, largement apres le point mort haut OT et avant le point mort teas UT. A ltouverture de la soupape d'admission 5, est engendree de ce fait une forte acceleration de la colonne d'air entrant dans la tubulure s d'admission 3 et venant en-quite, du fait de l'energie cinetique qu'elle a ac- cumulee, charger ou suralimenter le cylindre 1. Sur le plan energetique, le travail d'aspiration est d'abord transforme en travail de charge, comme cela est decrit dans le document DE 198 46 111 A1 pour une commande par l'intermediaire du degre d'ouverture du clapet d'etranglement. Dans les moteurs a respiration naturelle, il se produit ainsi une augmentation du remplissage du cylindre l de 15 % environ par exemple. Dans un mo- teur 20 utilisant un turbo-compresseur, comme celui represente a la fi gure l, quand la vitesse du moteur est dans sa zone la plus basse telle qutelle est caracterisee par le premier etat de fonctionnement, c'est-adire l'etat de demarrage, il ntest pas possible avec le turbo-compresseur 25 de charger suffisamment le moteur et ainsi celui-ci presente une faiblesse notamment au demarrage. Par ailleurs, justement dans cette plage de vi o tesse du moteur, les plus petites ameliorations de l'apport d'air ctest- a- dire de gaz frais au moteur 20 entranent une augmentation importante du couple du moteur, car non seulement ce quton appelle le couple spontane, ctest- a-dire sans participation du turbo -compresseur, augmente, mais la reponse du turbo-compresseur recoit un soutien massif. La suralimenta- tion du cylindre l resultant de l'ouverture retardee de la soupape d'admission 5, produit par combustion un courant de gaz d'echappement plus important qui augmente la puissance de la turbine 55 du turbo- compresseur 25 et par consequent aussi la puissance du compresseur 60. De cette maniere, la pression de charge crot et provoque une augmenta tion du courant massique de gaz frais dans la tubulure d'admission 3, entranant a nouveau une augmentation du remplissage du cylindre l et done aussi une augmentation du courant massique de gaz d'echappement. Des mesures de cet effet ont indique des valeurs d'amplification du turbo- compresseur atteignent 2 environ c'est-a-dire qu'une augmentation de 10 % du courant massique de g frais aspire, produite par ltouverture retardee de la soupape d' admission 5 conduit a un courant massique augmente jusqu'a environ 200 % si on prend en compte le turbo-compresseur 25, avec des gains correspondent dans le couple du moteur. Sur la base de ces connaissances, il est possible, en o combinant la suralimentation decrite ci-dessus et appelee egalement charge pulsatoire, avec la suralimentation par le turbo-compresseur a gaz d'echappement, d'esperer d'obtenir dans la zone inferieure des vitesses c'est-a-dire dans l'etat de demarrage, une amelioration du remplissage al- lant jusqu'a 30 % environ, si les valeurs d'amplification de turbo compresseur 25 atteignent environ 2 comme indique plus haut. Cela cor- respond a une amelioration theorique du couple du moteur de 25 % envi- ron dans un moteur a allumage commande et de 30 % environ dans un moteur Diesel. Ces gains pourraient en consequence conduire, sans porter atteinte au couple, a une diminution correspondante des dimensions, de sorte que dans un moteur a allumage commande, une reduction de la cy lindree de 25 % environ parat realiste, sans inconvenients pour la capa cite de roulement, c'est-a-dire sans faiblesse au demarrage parat realiste. La forte limitation du cliquetis a pleine charge des turbo moteurs fait qutil est necessaire de reduire la compression. Mais cette me sure represente un compromis entre les contraintes a pleine charge et a charge partielle. Comme il n'y a pas de probleme de cliquetis a charge partielle on exige, pour optimiser le moteur, de comprimer par exemple o avec un rapport geometrique de 14, tandis que dans la zone de pleine charge, la limitation de cliquetis fait que des rapports geometriques de compression plus falbles par exemple de 5 a 8, vent les meilleurs. Une solution de compromis sur ce rapport geometrique de compression pour rait prevoir pour ce rapport une valeur de 9 environ, mais conduit no tamment a pleine charge a de tres modestes rendements car pour limiter le cliquetis, il faut regler en retard les angles d'allumage, ce qui a une in fluence negative sur le rendement de ['angle d'allumage, qui se situe alors entre 80 et 95 % environ. De plus, les angles d'allumage tardifs condui sent a des temperatures elevees des gaz d'echappement, car la course de detente du piston 2 ne peut etre utilisee au mieux et le centre de gravite de la combustion est deplace dans le sens d'un retard. Pour proteger les elements de construction guidant les gaz d'echappement, il faut prendre des dispositions limitant la temperature des gaz d'echappement sous la forme d'un enrichissement du melange allant jusqu'a un d'environ 0,75 et produisant de son cote a nouveau une forte reduction du rendement et une surconsommation de carburant. La solution de ce probleme est materialisee par le retard de ['instant de fermeture de la soupape d'admission 5 pendant la phase de compression du piston 2. Ce retard reduit effectivement la course de com o pression et le melange air-carburant reflue au moins en partie dans la tu bulure d'admission 3. Ainsi le rapport geometrique de compression peut etre regle a une valeur tres elevee, par exemple la valeur 14. Ce rapport de compression peut alors, dans le second etat de fonctionnement, etre re duit a des valeurs effectives nettement plus petites, de sorte que l'on peut regler un rapport effectif de compression variable. Cette reduction de compression effective est connue sous le nom de cycle de Miller et utilisee par exemple dans l'etat connu de la technique deja cite, dans le vehicule Mazda Euros 800 N. Un autre avan tage est une asymetrie du rapport compression/detente a pleine charge, qui presente la propriete avantageuse de diminuer la temperature des gaz d'echappement d'environ 100 . La raison en est un plus falble exces d'expansion du au rapport geometrique de compression eleve. Celui-ci s peut, en partant du rapport cite plus haut ayant la valeur 14, etre reduit a une valeur effective de 8 par exemple, tandis que par contre le rapport geometrique d'expansion peut rester par exemple inchange a la valeur 14. La diminution de la temperature des gaz d'echappement reduit sensible- ment la necessite d'enrichir le melange combustible a pleine charge. o Les pertes de retour peuvent de la maniere decrite, etre compensees par une pression, elevee en correspondence, du turbo compresseur a gaz d'echappement 25. Globalement, le cycle de Miller ap porte de tres nets avantages de rendement, aussi bien a charge partielle quta pleine charge dans le second etat de fonctionnement du moteur 20. s Le gros inconvenient de ce cycle de Miller est qu'il augmente nettement la faiblesse au demarrage du fait que le turbo-compresseur 25 ne peut com- penser les pertes de retour dans la zone inferieure des vitesses. De plus, ces pertes de retour conduisent a un comportement de reponse par en- tranement du turbo-compresseur 25. De ce fait, le retard de ['instant de o fermeture de la soupape d'admission 5 n'est prevu que pour le second etat de fonctionnement, de sorte que dans le premier etat de fonctionnement ctest-a-dire au demarrage, le cycle de Miller n'est pas realise. Inversement, le retardement de l'ouverture de la soupape d'admission 5 dans le second etat de fonctionnement peut etre a nouveau annule, car dans cet etat, avec des vitesses de moteur depassant le seuil predefini, le turbo- compresseur 25 a un comportement de reponse et un comportement de charge tous deux acceptables. Ainsi selon l'etat de fonctionnement du moteur a combus- tion interne 20, chaque fois ctest le procede le plus favorable, par retarde ment de ['instant soit d'ouverture, soit de fermeture de la soupape d'admission, qui est active, de maniere a obtenir le meilleur rendement du moteur 20 dans chaque etat de fonctionnement. Le rapport geometrique de compression et le rapport geo- metrique de detente vent designee par Egeo et definis par la relation: 3s úgeo = Vh + Vc Vc dans laquelle Vh est la cylindree du cylindre et Vc le volume de compression du cylindre, tels que decrits par exemple dans le docu- ment DE 198 46 111 Al. La valeur effective du rapport geometrique de compression et du rapport geometrique de detente est donnee par la rela s tion: ceff = V1 + Vc Vc dans laquelle V1 est le volume du cylindre au debut de la o phase de compression au cours de laquelle la pression passe au-dessus de la pression de la tubulure d'admission. Le debut de la phase de compres- sion depend de ['instant de commande de la fermeture de la soupape d'admission 5 et de la vitesse du moteur, et est fixe pour une position an- gulaire du vilebrequin entre environ 10 et 45 apres le point mort haut s UT. En fonctionnement de Miller, la phase de compression commence nettement plus tard, et V1 est inferieur a Vh. REVENDICATIONS 1 ) Procede de commande d'un moteur a combustion interne (20) avec re glage variable de la duree d'ouverture d'une soupape d'admission (5) d'un cylindre (1) du moteur (20), s caracterise en ce qu' - en fonction d'une grandeur de fonctionnement du moteur (20) en parti culier de sa vitesse de rotation, on distingue deux etats de fonctionne ment, - dans le premier etat de fonctionnement, pendant une phase 0 d'aspiration, la soupape d'admission (5) est ouverte avec retard, - dans le second etat de fonctionnement, la fermeture de la soupape d'admission (5) est retardee et a lieu pendant la phase de compression. 2 ) Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que le gaz frais amene au moteur (20) est comprime au moyen d'un turbo compresseur a gaz d'echappement (25). 3 ) Procede selon la revendication 2, o caracterise en ce que dans le second etat de fonctionnement, la pression de charge du turbo compresseur (25) est reglee de maniere a compenser les pertes de retour se produisant pendant la phase de compression. 4 ) Procede selon les revendications 1, 2 ou 3, caracterise en ce que le premier etat de fonctionnement est reconnu quand la grandeur de fonc tionnement se trouve en dessous d'un seuil predefini et le second etat de fonctionnement est reconnu quand la grandeur de fonctionnement se trouve au-dessus du seuil predefini. ) Procede selon la revendication 4, caracterise en ce que le seuil predefini est choisi de maniere que le premier etat de fonctionne 3s ment est un etat de demarrage. 6 ) Procede selon la revendication 4, caracterise en ce que le seuil predefini est choisi de maniere a permettre dans le second etat de fonctionnement, un fonctionnement a pleine charge. 7 ) Dispositif (10) pour commander un moteur a combustion interne (20) s par des moyens (3 O) servant au reglage variable du temps d'ouverture (5) d'un cylindre (1) du moteur (20), caracterise par - des moyens (3 5) pour distinguer deux etats de fonctionnement en fonction d'une grandeur de fonctionnement, en particulier la vitesse de o rotation du moteur (20), des moyens (4 O) pour retarder l'ouverture de la soupape d'admission (5) pendant une phase d'aspiration, dans le premier etat de fonction nement, des moyens (4 5) pour retarder la fermeture de la soupape d'admission S (5) pendant la phase de compression, dans le second etat de fonction