Brevet FR2852059A1 — publié le 20040910

MOTEUR THERMIQUE A RECIRCULATION DE GAZ BRULES La présente invention concerne, de façon générale, un moteur thermique à recirculation de gaz brûlés aussi appelés EGR pour " Exhaust Gas Recirculation ", qui se traduit en français par " recirculation de gaz d'échappement ". Plus particulièrement, l'invention concerne un moteur thermique, tel qu'un moteur diesel à injection directe, comprenant notamment une chambre de combustion, des 10 moyens d'injection de carburant dans la chambre, des moyens d'admission pour admettre sélectivement dans la chambre un comburant gazeux contenant de l'air et s'écoulant suivant au moins des première et seconde veines fluides, des moyens d'échappement pour autoriser 15 sélectivement l'échappement de gaz brûlés hors de la chambre, et des moyens de recirculation incluant des premiers moyens de contrôle de débit pour recycler, suivant un premier taux réglable, une partie des gaz brûlés dans la première veine fluide. 20 L'utilisation de gaz dits de recirculation ou EGR dans la chambre de combustion d'un moteur alternatif et plus particulièrement d'un moteur à allumage par compression est bien connue de l'homme du métier. Les gaz de 25 recirculation sont des gaz issus de la combustion des cycles précédents et sont donc appauvris en oxygène. Ils sont utilisés, mélangés avec l'air, pour réduire les émissions polluantes ou pour contrôler le déroulement de la combustion. Plus précisément le temps d'allumage d'un mélange air / carburant contenant de l'EGR est plus fort que celui d'un mélange équivalent ne contenant pas d'EGR. Il est donc possible de retarder l'allumage d'un mélange air / carburant en y 5 adjoignant de l'EGR jusqu'à une limite maximale de concentration en EGR au-delà de laquelle la combustion du carburant sera difficile et incomplète au risque de produire des particules polluantes. On parle d'EGR externe lorsque l'alimentation en EGR s'effectue par un circuit localisé hors de la chambre de combustion et d'EGR interne lorsque ces gaz résiduels de la combustion sont des gaz restés piégés dans la chambre de combustion. L'invention proposée se 15 rapporte principalement à la gestion de l'EGR externe et à la façon d'introduire ces gaz dans la chambre pour obtenir les effets désirés. C'est la raison pour laquelle de nombreux motoristes 20 ont développé diverses solutions visant à contrôler l'adjonction d'EGR dans la chambre de combustion. Un moteur du type précédemment défini, permettant un tel contrôle de la quantité d'EGR introduite ainsi que sa répartition dans la chambre, est par exemple décrit 25 dans le document brevet WO-9826175 Al de FORD GLOBAL TECHNOLOGIES INC. Ce document divulgue un moteur à quatre chambres de combustion. Chaque chambre possède une entrée d'admission et une sortie d'échappement. Chaque entrée 30 d'admission est connectée à une conduite d'admission dotée d'une paroi de séparation parallèle à l'axe de la conduite. Cette paroi de séparation permet la création d'une veine fluide contenant de l'air et d'une veine fluide contenant de l'EGR. La séparation de la conduite d'admission permet ainsi d'alimenter l'entrée 5 d'admission de la chambre avec une veine fluide d'air et une veine fluide d'EGR. Une fois admises dans la chambre ces veines fluides séparées forment des strates gazeuses sensiblement séparées entre elles et dans lesquelles est injecté le carburant. Ces strates 10 gazeuses comburantes sont parallèles à l'axe de translation du piston. La strate sans EGR aura un temps d'allumage plus court que la strate riche en EGR ce qui permet d'étaler la durée de la combustion au cours du cycle moteur. Un tel système ne permet pas de caler précisément le début de la combustion par rapport au cycle moteur et ne permet pas non plus d'en contrôler la durée. Ce moteur de l'art antérieur peut donc avoir pour inconvénient d'être bruyant lorsque la combustion n'est 20 pas maîtrisée. Or, le bruit est un facteur limitant l'utilisation de modes de combustion avancés à très bas niveau d'émission polluantes et à fort rendement. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de 25 proposer un moteur permettant une réduction du bruit de combustion tout en maintenant les émissions polluantes et le rendement du moteur à de bons niveaux. A cette fin, le moteur de l'invention, par ailleurs 30 conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que les moyens de recirculation comprennent des seconds moyens de contrôle de débit pour recycler, suivant un second taux réglable, une partie des gaz brûlés dans la seconde veine fluide. Le bruit de combustion est lié à la vitesse de combustion, c'est à dire à la vitesse à laquelle l'énergie issue de l'oxydation du combustible est libérée. Grâce à l'invention, la chambre de combustion est alimentée par au moins deux veines fluides ayant chacune un taux d'EGR régulé par les moyens de contrôle de débit. Ces deux veines fluides alimentent la chambre 15 de combustion et forment ainsi des strates séparées de fluides comburants à taux d'EGR variables et pilotables en fonction par exemple des taux de charge en carburant des différentes strates. Chaque strate de fluide ainsi créée possède son propre 20 taux d'EGR, et donc son propre délai d'allumage et sa propre vitesse de combustion ce qui permet d'étaler le temps de la combustion dans l'ensemble de la chambre. Corrélativement la régulation des taux d'EGR de chaque strate et du différentiel de taux d'EGR entre les 25 strates permet le pilotage de la vitesse de combustion et la réduction du bruit de combustion. On peut par exemple contrôler la vitesse de combustion en faisant varier l'écart entre les deux valeurs des taux d'EGR de chacune des deux veines fluides. Pour ralentir la combustion, c'est à dire l'étaler dans le cycle, il suffit d'introduire une différence entre les taux d'EGR de chacune des deux veines, ou d'augmenter cette différence. Un autre avantage de la présente invention peut être de 5 limiter les émissions polluantes. Dans certains cas l'invention permet également d'augmenter les performances spécifiques du moteur et donc le rendement dans des modes de combustion o les émissions polluantes sont très faibles. On peut par exemple admettre dans la chambre les première et seconde veines fluides de manière à ce qu'elles introduisent respectivement dans la chambre des premier et second volumes de comburants gazeux au 15 moins sensiblement identiques entre eux. On peut également générer les première et seconde veines fluides à partir d'une veine commune, les premier et second taux réglables étant identiques, et 20 les premier et second moyens de contrôle de débit étant constitués par des moyens de contrôle de débit communs installés sur la veine commune. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 25 ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1-A représente un exemple de 30 stratification d'EGR dans une chambre de combustion possédant deux entrées d'admission; la figure 1-B représente une vue en coupe transversale de la chambre de la figure 1-A; la figure 2 représente un exemple de stratification d'EGR dans une chambre de combustion possédant une seule entrée d'admission; la figure 3 représente un exemple de stratification d'EGR dans une chambre de combustion à l'aide d'une variation temporelle du taux d'EGR dans une même conduite d'admission. Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un moteur thermique. Le moteur thermique 1 des figures 1-A et 1-B est un moteur diesel à injection directe. Ce moteur peut être un moteur diesel de type conventionnel ou préférentiellement un moteur à combustion homogène c'est à dire un moteur dans lequel le ratio carburant / comburant est sensiblement constant dans toute la chambre de combustion 2. Sur de 20 tels moteurs, la phase d'injection se déroule entre le point mort bas du piston et est achevée peu avant le point mort haut du piston. Il est particulièrement avantageux d'adapter l'invention sur des moteurs à combustion homogène car la durée de l'auto inflammation 25 est plus importante que pour les moteurs conventionnels ce qui augmente d'autant les besoins de générer des strates à taux d'EGR variables dans la chambre. Des moteurs à combustion homogène sont par exemple des moteurs communément dénommés sous les sigles HCCI, CAI, 30 ARC. Ce moteur comprend notamment une chambre de combustion 2 et des moyens d'injection de carburant 3 dans la chambre 2. Ce moteur comprend également des moyens d'admission 4 pour admettre sélectivement dans la 5 chambre 2 un comburant gazeux contenant de l'air et s'écoulant suivant au moins des première et seconde veines fluides respectivement notées 5 et 6. Ce moteur comprend de plus des moyens d'échappement 7 pour autoriser sélectivement l'échappement de gaz brûlés 10 hors de la chambre 2. Des moyens de recirculation d'une partie des gaz brûlés sont connectés entre une ou plusieurs sorties d'échappement 7 et une ou plusieurs entrées d'admission 15 de manière à transporter et recycler une partie des gaz d'échappement vers l'entrée 8 de la chambre de combustion 2. Les moyens de recirculation sont des conduits connectés sur l'échappement et sur les collecteurs d'admission du 20 moteur aussi appelés première et deuxième entrées d'admission 8 et 9. Le premier moyen de recirculation d'EGR est connecté à la première entrée d'admission 8. Ce premier moyen de 25 recirculation comprend un premier moyen de contrôle du débit d'EGR destiné à piloter le passage des EGR dans la première veine fluide 5 qui transite par la première entrée d'admission 8. Le second moyen de recirculation d'EGR est connecté à la seconde entrée d'admission 9. Ce premier moyen de recirculation comprend un second moyen de contrôle du débit d'EGR destiné à piloter le passage des EGR dans la seconde veine fluide 5 qui transite par la seconde entrée d'admission 9. Les premier et second moyens de contrôle de débit des gaz d'échappement à recycler permettent le pilotage indépendant du débit d'EGR recirculés dans chaque veine. Il est ainsi possible de contrôler les premiers 10 taux d'EGR dans la première veine fluide 5 et le second taux d'EGR dans la seconde veine fluide 6. Il est à noter que le taux réglable des gaz recirculés correspond à la quantité de ces gaz par rapport à la 15 quantité totale de comburant gazeux d'une veine fluide. Les moyens de contrôle de débit des gaz d'échappement recirculés sont constitués par une ou plusieurs vannes commandées par au moins un moyen de commande 20 pneumatique, hydraulique ou électrique. Ces vannes peuvent permettre le débit contrôlé d'EGR de façon continue ou discontinue. Ces vannes ont pour fonction de régler le premier taux d'EGR ou gaz brûlés recirculés dans la première veine 25 fluide 5 et le second taux d'EGR ou gaz brûlés recirculés dans la seconde veine fluide 6. Le comburant gazeux introduit dans la chambre 2 par les deux veines fluides 5, 6, est composé principalement 30 d'air et d'EGR. L'introduction de comburants gazeux par deux veines différentes permet de créer une stratification dans la chambre de combustion dont le taux d'EGR de chaque strate est ajustable. L'injecteur 3 quant à lui 5 pulvérise le carburant dans les strates de la chambre de combustion 2. Dans des cas particuliers, l'injection est elle-même pilotée pour pulvériser une quantité donnée de carburant dans une zone donnée de la chambre et ainsi obtenir des ratios comburant / carburant 10 pratiquement homogènes. La stratification peut se présenter comme illustrée sur la figure 1-B sous la forme de deux strates parallèles à l'axe du piston 17. Dans le cas de cette figure qui 15 représente une vue en coupe de la chambre de la figure 1-A, la différence entre ces deux strates est le taux d'EGR de chaque strate. Ainsi, la première strate 10 à fort taux d'EGR est formée par l'admission de la première veine fluide 5 transitant par la première 20 entrée d'admission 8. La seconde strate 11 à faible taux d'EGR est formée par l'admission de la seconde veine fluide 6 transitant par la seconde entrée d'admission 9. Les strates 10 et 11 ont des taux d'EGR différents ce qui permet, comme expliqué précédemment, de piloter le début de la combustion ainsi que la vitesse de combustion. Le nombre et la forme des strates créées dans la chambre ne sont pas limités à ce seul exemple. Il est notamment possible de créer, comme dans l'exemple de la figure 3, d'autres strates en augmentant le nombre de veines fluides admises dans la chambre, ou, comme dans un autre exemple, en faisant varier le taux d'EGR d'une 5 même veine fluide au fur et à mesure de son admission dans la chambre. La figure 2 est une vue de dessus d'un cylindre de moteur possédant une chambre de combustion 2, une 10 entrée d'admission 8 et un moyen 7 d'échappement. Sur cette figure les première et seconde veines fluides 5 et 6 sont admises par la même entrée commune d'admission 8. L'entrée d'admission qui est un des moyens d'admission est formée à une extrémité d'une 15 conduite tubulaire connectée à la chambre de combustion 2. Le volume interne de la conduite tubulaire est séparé en deux par une paroi interne 12 orientée longitudinalement et parallèlement à l'axe principal de symétrie de la conduite. Cette paroi 12 s'étend sur une 20 portion de longueur de la conduite pour séparer entre elles les première et seconde veines fluides 5 et 6. Dans ce cas, l'admission des veines fluides se fait par la seule entrée 8. Un premier moyen de contrôle de débit d'EGR tel qu'une vanne est connectée en série entre le moyen d'échappement 7 et la portion de la première entrée d'admission 8 dans laquelle passe la première veine fluide 5 de manière à contrôler et piloter le premier 30 taux d'EGR dans cette première veine 5. Il Un second moyen de contrôle de débit d'EGR tel qu'une vanne est connectée en série entre le moyen d'échappement 7 et la portion de la seconde entrée d'admission 9 dans laquelle passe la seconde veine 5 fluide 6 de manière à contrôler et piloter le second taux d'EGR dans cette seconde veine 6. Un autre moyen d'obtenir et d'admettre dans la chambre 2 plusieurs veines fluides 5 et 6 dont les taux d'EGR 10 sont contrôlés indépendamment est représenté sur la figure 3. Cette figure 3 représente un moteur semblable structurellement au moteur précédemment décrit aux 15 figures 1-A et 1-B. Une conduite d'admission principale 13 permettant l'approvisionnement du moteur en comburant gazeux et en EGR se subdivise, à l'une de ses extrémités du coté moteur, en des première 8 et seconde 9 entrées d'admission. La création des première et seconde veines fluides 5 et 6 se fait à l'endroit de la subdivision 14 de la conduite d'admission principale 13. Le taux d'EGR du comburant gazeux passant dans la conduite d'admission principale est variable dans le temps par vagues fluides de forte 15 ou de faible 16 concentration en EGR. Dans ce cas, après subdivision des comburants gazeux, les veines fluides 5 et 6 sont 30 admises dans la chambre de combustion 2, créant ainsi des strates de comburants gazeux perpendiculaires à l'axe principal du piston. Ces techniques de stratification des gaz de la chambre 5 de combustion sont donc basées sur plusieurs méthodes d'admission: - admission d'une seule veine fluide par entrée d'admission dont le taux d'EGR reste constant ou variable durant un cycle d'admission; - admission de plusieurs veines fluides par entrée d'admission dont le taux d'EGR de chaque veine fluide peut être constant ou variable durant un cycle d'admission. REVENDICATIONS 1. Moteur thermique (1), tel qu'un moteur diesel à injection directe, comprenant notamment une chambre de combustion (2), des moyens d'injection de carburant (3) dans la chambre (2), des moyens d'admission (4) pour 5 admettre sélectivement dans la chambre (2) un comburant gazeux contenant de l'air et s'écoulant suivant au moins des première (5) et seconde (6) veines fluides, des moyens d'échappement (7) pour autoriser sélectivement l'échappement de gaz brûlés hors de la 10 chambre (2), et des moyens de recirculation incluant des premiers moyens de contrôle de débit pour recycler, suivant un premier taux réglable, une partie des gaz brûlés dans la première veine fluide (5), caractérisé en ce que les moyens de recirculation comprennent des 15 seconds moyens de contrôle de débit pour recycler, suivant un second taux réglable, une partie des gaz brûlés dans la seconde veine fluide (6). 2. Moteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en 20 ce qu'il possède un ratio carburant / comburant sensiblement constant dans toute la chambre de combustion (2) . 3. Moteur (1) selon l'une quelconque des revendications 25 1 et 2 caractérisé en ce que les première (5) et seconde (6) veines fluides introduisent respectivement dans la chambre (2) des premier et second volumes de comburant gazeux, au moins sensiblement identiques. 4. Moteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les veines fluides (5, 6) sont introduites dans la chambre de combustion (2) par une entrée d'admission (8) commune. 5. Moteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les première (5) et seconde (6) veines fluides sont introduites dans la chambre (2) par des première (8) et seconde (9) entrées d'admission 10 respectives. 6. Moteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les premier et second moyens de contrôle de débit sont des vannes à commande 15 pneumatique, hydraulique ou électrique. 7. Moteur (1) selon la revendication 6 caractérisé en ce que le débit d'EGR contrôlé par les vannes est continu ou discontinu. 8. Moteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les première (8) et seconde (9) veines fluides sont issues d'une veine commune, en ce que les première et second taux réglables sont 25 identiques, et en ce que les premier et second moyens de contrôle de débit sont constitués par des moyens de contrôle de débit communs installés sur la veine commune.