Brevet FR2859764A1 — publié le 20050318

MOTEUR THERMIQUE A INJECTION DIRECTE DE GAZ BRULÉS RECYCLÉS 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 5 d'échappement . Plus particulièrement, l'invention concerne un moteur thermique, tel qu'un moteur diesel à injection directe, comprenant une chambre de combustion, des moyens d'injection de carburant dans la chambre pour injecter le carburant selon une première veine fluide, des moyens d'admission pour admettre sélectivement dans la chambre un comburant gazeux contenant de l'air et s'écoulant suivant une seconde veine fluide, des moyens d'échappement pour autoriser 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 débit réglable, une partie des gaz brûlés. L'invention concerne également un procédé d'injection pour moteur à injection directe comprenant des étapes: - d'injection de carburant et de comburant vers une chambre de combustion (2) d'un moteur (1); - de création de conditions d'une combustion dans la chambre de combustion (2) par réaction du carburant avec le comburant ce qui dégage des gaz brûlés; de collecte et recyclage avec injection d'une partie des gaz brûlés vers la chambre de combustion, de sorte que la combustion qui s'y déroule se fasse en présence de gaz brûlés recyclés. 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 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 long 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 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 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. Le but de l'introduction de gaz brûlés dans la chambre de combustion est notamment de limiter localement les températures de combustion par augmentation de la dilution de la charge. Cet effet est recherché pour toutes les zones où les températures de combustion seraient potentiellement trop élevées et donc potentiellement source de formation d'oxyde d'azote. Cependant une trop forte dilution du carburant est source de combustion incomplète et donc de formation d'hydrocarbures imbrûlés (HC) et de monoxyde de carbone (CO). Il est donc nécessaire de maintenir l'effet de dilution et donc de réduction des températures de combustion tout en réduisant les émissions de HC et de CO. C'est la raison pour laquelle de nombreux motoristes 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 son mélange dans la chambre de combustion avec le carburant, est par exemple décrit dans le document brevet FR 01 10626 - Al. Ce document divulgue un moteur diesel doté d'un injecteur permettant d'injecter à la fois du carburant et des gaz brûlés recyclés par l'intermédiaire d'une même buse d'injection. Ce dispositif est doté d'une enceinte dans laquelle débouche une arrivée de gaz brûlés et dans laquelle est disposé un injecteur de carburant doté d'une buse d'injection. L'enceinte comporte une buse d'injection de mélange placée légèrement en avant par rapport à la sortie de la buse d'injection de carburant. Ainsi, les gaz brûlés arrivant dans l'enceinte du dispositif sont apportés en avant et face à la sortie de la buse d'injection de carburant, ce qui forme un mélange de gaz brûlés et de fines gouttelettes de carburant pulvérisé. Sous l'effet des pressions conjointes d'injection de gaz et de carburant, le mélange passe par la buse d'injection de mélange et est injecté dans la chambre de combustion du moteur. Ce dispositif est particulièrement avantageux car il permet de créer un mélange carburant / gaz brûlés. Le mélange des gaz brûlés recyclés et du carburant se fait en grande partie à l'intérieur même du dispositif d'injection puis, dans une moindre mesure après injection de la veine carburant / gaz brûlés dans la chambre de combustion. Toutefois le fait que ce mélange se fasse en partie à l'intérieur même du dispositif et en amont de la buse d'injection du mélange est perturbateur de l'écoulement du mélange. De plus le fait que les gaz brûlés soient apportés sous pression, face à la sortie de la buse d'injection de carburant est perturbateur de l'écoulement de carburant. En effet, toute variation de la pression ou du débit des gaz brûlés recyclés influence directement la taille des gouttelettes de carburant injectées, et la qualité de la pulvérisation du carburant. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un moteur et un procédé permettant une réduction du bruit de combustion tout en maintenant les émissions polluantes et le rendement du moteur à de bons niveaux, et en améliorant la formation du mélange carburant / gaz brûlés, sans perturbation de l'écoulement du carburant. A cette fin, le moteur de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la partie recyclée des gaz brûlés s'écoule directement dans la chambre de combustion suivant une troisième veine fluide différente des première et seconde veines fluides, cette troisième veine fluide étant orientée pour venir au contact du carburant injecté dans la chambre selon la première veine fluide, un tel moteur favorisant ainsi le transport de la partie de gaz brûlés recyclée, la pulvérisation et l'évaporation du carburant à l'intérieur de la chambre de combustion. A cette fin également, le procédé de l'invention, par 30 ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que ledit carburant, ledit comburant et ladite partie de gaz brûlés sont respectivement injectés vers la chambre de combustion sous la forme de première, seconde et troisième veines fluides distinctes les unes des autres. De cette manière, le mélange de carburant et de gaz brûlés se fait directement à l'intérieur de la chambre de combustion, dans les conditions thermodynamique de celle-ci, sans perturbation liée à une zone de pré-mélange ou à la présence d'une buse d'injection de mélange carburant / gaz brûlés recyclés. La troisième veine fluide de gaz brûlés recyclés est orientée pour venir au contact de la première veine fluide injectée dans la chambre. Cette injection conjointe, et directe dans la chambre de combustion, de carburant et de gaz brûlés permet de favoriser la pulvérisation et l'évaporation du carburant, mais surtout d'assurer le transport des gaz brûlés par le carburant. La troisième veine fluide de gaz brûlés étant avantageusement injectée en périphérie de la veine fluide de carburant, l'entraînement des gaz brûlés environnants permet de maintenir un taux de dilution du carburant à même de réduire les émissions polluantes. Dans le reste de la chambre le taux de gaz brûlés recirculés peut être maintenu à des niveaux plus faibles sans que cela ne se traduise par des émissions d'oxyde d'azote importantes. Ainsi, grâce à l'invention, et particulièrement au fait que la veine fluide de carburant entre en contact avec la veine fluide de gaz brûlés recyclés uniquement à l'intérieur de la chambre, une forte dilution de comburant s'accompagne également d'une forte dilution de gaz brûlés recyclés. La concentration en oxygène est donc plus forte dans les zones de la chambre où les concentrations en carburant sont plus faibles, limitant du même coup les émissions d'hydrocarbures imbrûlés ou de monoxyde de carbone. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 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 une vue de dessus d'un moteur doté du dispositif selon l'invention; la figure 1-b représente une vue en coupe d'une zone d'injection d'un moteur selon un premier mode de 20 réalisation l'invention; la figure 2-a représente un schéma de fonctionnement de l'invention au cours d'une injection de carburant et de gaz brûlés recyclés; la figure 2-b représente un schéma de fonctionnement de l'invention après injection de carburant et de gaz brûlés recyclés; la figure 3 représente une vue en coupe d'une zone d'injection d'un moteur selon un second mode de réalisation de l'invention; Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un moteur thermique à injection directe de gaz brûlés recyclés. La figure 1-a représente une chambre de combustion 2 d'un moteur diesel 1 à injection directe doté de quatre soupapes par chambre de combustion 2. Des moyens d'injection 3 de carburant ayant un axe principal d'injection 9 sont disposés face à la tête du piston 17, suivant un axe central de symétrie 18 de la chambre 2. Les moyens d'injection 3 sont adaptés pour injecter le carburant, dans la chambre de combustion 2, selon une première veine fluide 5 représentée sur la figure 1-b. Des moyens d'admission 4 sont également disposés face à la tête du piston 17 pour admettre sélectivement dans la chambre 2 un comburant gazeux contenant de l'air et s'écoulant suivant une seconde veine fluide 11. Des moyens d'échappement 7 pour autoriser sélectivement l'échappement de gaz brûlés hors de la chambre 2 sont également disposés face à la tête du piston 17. Des moyens de recirculation 8 incluant des premiers moyens de contrôle de débit 10 pour recycler, suivant un premier débit réglable, une partie des gaz brûlés sont représentés sur la figure 1-a. Le moyen de recirculation 8 comprend une conduite reliée aux moyens d'échappement 7 de façon à apporter vers la chambre 2 une partie des gaz brûlés. La partie des gaz brûlés est collectée directement à l'échappement 7 du moteur 2 et est éventuellement refroidis et/ou comprimés avant d'être injectée dans la chambre 2 sous la forme de la troisième veine fluide 6. Le moyen de contrôle de débit 10 est une vanne 10 généralement commandée électriquement par un calculateur en fonction des paramètres mesurés de fonctionnement du moteur 1. La vanne 10 est située à proximité de la chambre de combustion 2 de manière à ce que le second conduit 14 de la figure 1-b ou 16 de la figure 3 situé en aval de la vanne 10 et la reliant à la chambre 2 afin d'y injecter des gaz brûlés recyclés, soit le plus court possible. En effet le second conduit 14 ou 16 possède une longueur réduite pour diminuer le volume de gaz compris entre la vanne 10 et la chambre de combustion 2. Toutefois, afin de protéger la vanne 10, il est préférable que celle-ci soit isolée thermiquement et/ou éloignée par rapport aux zones chaudes du moteur 1. La partie recyclée des gaz brûlés s'écoule directement dans la chambre de combustion 2 suivant une troisième veine fluide 6 différente des première et seconde veines fluides 5, 11. Cette troisième veine fluide 6 est orientée pour venir au contact du carburant injecté dans la chambre 2 selon la première veine fluide 5. Un moyen de compression de la partie des gaz brûlés recyclée peut être positionné sur le conduit alimentant la vanne 10 afin que les gaz de la troisième veine fluide 6 soient injectés en pression contre la première veine fluide 5, ce qui augmente la capacité de mélange du carburant et des gaz. Dans le premier mode de réalisation décrit sur la figure 1-b, les moyens d'injection 3 de carburant comprennent un premier conduit injecteur 13 dont une extrémité débouche dans la chambre 2, et la troisième veine fluide 6 est injectée dans la chambre 2 par le second conduit 14 qui débouche dans la chambre et qui entoure coaxialement le premier conduit 13, formant ainsi un passage 15 pour la troisième veine fluide 6, entre les premier et second conduits coaxiaux 13, 14. La première veine fluide 5 est injectée selon un axe principal d'injection 9 qui est sensiblement parallèle à l'axe central de symétrie 18 de la chambre 2 et du piston 17 se déplaçant à l'intérieur de celle-ci. La troisième veine fluide 6 de gaz brûlés recyclés est injectée coaxialement par rapport à l'axe principal d'injection 9 et vient en contact direct sur toute une portion périphérique 12 de la première veine fluide 5. De cette façon, le carburant, les gaz brûlés et les différents mélanges formés de carburant et de gaz brûlés se répartissent symétriquement dans la chambre 2, par rapport à l'axe centrale de symétrie 18. Avantageusement, les veines fluides 5, 6 sont préférentiellement injectée en regard d'une surface en creux 19 ménagée en surface du piston 17. Le passage 15 comporte un rétrécissement localisé permettant d'accélérer localement la vitesse d'écoulement de la troisième veine fluide 6. Ce rétrécissement est préférentiellement formé à l'extrémité 20 du second conduit 14 ou 16, en réalisant une portion interne de section conique allant en se rétrécissant vers l'extrémité du second conduit 14 oU 16. Selon un mode de réalisation particulier, la troisième veine fluide 6 de gaz brûlés recyclés est injectée dans la chambre de combustion à une température supérieure à la température de la première veine fluide 5 contenant le carburant. Egalement, selon un mode de réalisation particulier, la troisième veine fluide 6 de gaz brûlés recyclés est injectée dans la chambre de combustion à une température supérieure à la température de la seconde veine fluide contenant le comburant gazeux. La température de la troisième veine fluide 6 peut être régulée par un moyen de refroidissement de la température installé sur le circuit reliant les moyens d'échappement 7 aux moyens de recirculation 8. Selon le second mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 3, la première veine fluide 5 est injectée dans la chambre 2 selon l'axe principal d'injection 9 qui est parallèle à l'axe centrale de symétrie 18. La troisième veine fluide 6 est quant à elle injectée dans la chambre 2 par un second conduit 16 déporté latéralement par rapport à l'axe centrale de symétrie 18, dont l'extrémité débouchant dans la chambre 2 est orientée en direction de l'axe principal d'injection 9. Préférentiellement, afin de favoriser l'effet de mélange entre le carburant et les gaz brûlés recyclés, les première et troisième veines fluides 5, 6 sont orientées pour que les flux de ces veines fluides ne se contrarient pas, et que l'une de ces veines fluides favorise l'entraînement de l'autre veine fluide. Ainsi l'angle formé entre les axes principaux d'injection des première et troisième veines fluides 5, 6 est un angle préférentiellement fermé. Plus particulièrement, plusieurs veines fluides contenant des gaz brûlés recyclés peuvent être introduites dans la chambre 2 et dirigées vers la première veine fluide 5 de carburant. Dans ce cas, ces veines fluides de gaz recyclés sont semblables à la troisième veine fluide 6 et sont introduites par une série de conduits semblables au second conduit 16 et disposés symétriquement et autour du premier conduit injecteur 13. Le moteur de la figure 2-a est un moteur selon le 30 premier mode de réalisation, représenté au cours d'une injection conjointe de carburant et de gaz brûlés recyclés. Une première zone 21 à fort taux de gaz brûlés recyclés est représentée face à la sortie du second conduit 14 injectant la troisième veine fluide 6 de gaz brûlés. Cette première zone 21 s'étend sensiblement jusqu'au centre de la chambre de combustion 2. Une seconde zone 22 à faible taux de gaz brûlés recyclés s'étend autour de la première zone. Cette seconde zone 22 contient principalement de l'air injecté par la seconde veine fluide. Une troisième zone 23 contenant de fines gouttelettes de carburant injectées par la première veine fluide 5 est située à l'intérieur de la première zone 21. La première veine fluide 5 pénètre dans la chambre et 20 entraîne avec elle les gaz brûlés recyclés. Selon le procédé d'injection, l'injection de la troisième veine fluide 6 débute avant le début de l'injection de la première veine. Ceci permet de former une zone 21 à forte concentration en gaz recyclés directement face au premier conduit 13 d'injection de carburant. Ainsi, dès le début de l'injection du carburant celui-ci est entouré de gaz brûlés recyclés ce qui permet d'homogénéiser les proportions respectives des différents mélanges carburant / gaz brûlés recyclés ainsi formés dans la chambre. La figure 2-b représente la chambre de combustion 2 après l'étape d'injection de carburant et de gaz brûlés recyclés du même cycle que celui représenté sur la figure 2-a. Le piston 17 est alors en cours de remontée, c'est à dire durant la phase de compression, avant l'explosion du mélange. La zone 21 de la chambre 2 a une à forte proportion de carburant et contient également une forte proportion de gaz brûlés recyclés. La zone 22 à une faible proportion de carburant et contient une faible proportion de gaz brûlés. La combinaison de l'injection selon l'axe centrale de symétrie 18 avec le décalage temporel de l'injection de carburant par rapport à l'injection de gaz brûlés recyclés, permet de centrer la première zone 21 à forte concentration en carburant face à l'axe du piston 17. La combustion est ainsi améliorée en terme de rendement énergétique. De manière à initier la combustion, il est également possible d'injecter une faible proportion de carburant juste avant de débuter l'injection de gaz brûlés 25 recyclés qui forme la zone 21. REVENDICATIONS 1. Moteur thermique (1), tel qu'un moteur diesel à injection directe, comprenant une chambre de combustion (2), des moyens d'injection (3) de carburant dans la chambre (2) pour injecter le carburant selon une première veine fluide (5), des moyens d'admission (4) pour admettre sélectivement dans la chambre (2) un comburant gazeux contenant de l'air et s'écoulant suivant une seconde veine fluide {11), des moyens d'échappement (7) pour autoriser sélectivement l'échappement de gaz brûlés hors de la chambre (2), et des moyens de recirculation incluant des premiers moyens de contrôle de débit (10) pour recycler, suivant un premier débit réglable, une partie des gaz brûlés, le moteur étant caractérisé en ce que la partie recyclée des gaz brûlés s'écoule directement dans la chambre de combustion (2) suivant une troisième veine fluide (6) différente des première et seconde veines fluides (5, 11), cette troisième veine fluide (6) étant orientée pour venir au contact du carburant injecté dans la chambre selon la première veine fluide (5), un tel moteur favorisant ainsi le transport de la partie de gaz brûlés recyclée, la pulvérisation et l'évaporation du carburant à l'intérieur de la chambre de combustion (2). 2. Moteur thermique (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de combustion du moteur renfermant un piston, lequel présente un axe central de symétrie selon lequel il se déplace à l'intérieur de la chambre de combustion, les première et troisième veines fluides (5, 6) sont injectées sensiblement selon cet axe central de symétrie, en regard d'une surface en creux ménagée en surface du piston. 3. Moteur thermique (1) selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'extrémité du second conduit (16) a une portion interne de section conique allant en se rétrécissant vers l'extrémité du second conduit (16). 4. Moteur thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de refroidissement de la température de la troisième veine fluide (6) de gaz brûlés recyclés. 5. Procédé d'injection pour moteur à injection 20 directe comprenant des étapes: d'injection de carburant et de comburant vers une chambre de combustion (2) d'un moteur (1); de création de conditions d'une combustion dans la chambre de combustion (2) par réaction du carburant avec le comburant ce qui dégage des gaz brûlés; de collecte et recyclage avec injection d'une partie des gaz brûlés vers la chambre de combustion, de sorte que la combustion qui s'y déroule se fasse en présence de gaz brûlés recyclés; le procédé étant caractérisé en ce que ledit carburant, ledit comburant et ladite partie de gaz brûlés sont respectivement injectés vers la chambre de combustion sous la forme de première, seconde et troisième veines fluides (5, 11, 6) distinctes les unes des autres. 6. Procédé d'injection selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'injection de la troisième veine fluide (6) débute avant le début de l'injection de la première veine (5). 7. Procédé d'injection selon l'une des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce que la chambre de combustion du moteur possède un axe central de symétrie (18) et en ce que les première et troisième veines fluides (5, 6) sont injectées selon cet axe central de symétrie (18). 8. Procédé d'injection selon l'une des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que le contact entre les première et troisième veine fluides (5, 6) se produit uniquement à l'intérieur de la chambre de combustion. 9. Procédé d'injection selon l'une des revendications 5 à 8 caractérisé en ce que la troisième veine fluide (6) de gaz brûlés recyclés est injectée à 30 la périphérie de la première veine fluide (5) de carburant. 10. Procédé d'injection selon revendications 5 à 9 caractérisé en ce que veine fluide (6) de gaz brûlés recyclés 5 dans la chambre de combustion à une supérieure à la température de la seconde (11) contenant le comburant gazeux. l'une des la troisième est injectée température veine fluide