Brevet FR2866673A1 — publié le 20050826

L'invention concerne les moteurs à combustion interne et en particulier les moteurs diesels aptes à mettre en u̇vre une combustion de prémélange à allumage par compression ou CPAC . Les normes européennes anti-pollution deviennent de plus en plus sévères sur les moteurs diesels. Il est donc important pour les constructeurs automobiles de trouver de nouveaux modes de combustion moins polluants. L'un de ces modes de combustion est la combustion en mélange homogène appelée aussi combustion de prémélange à allumage par compression ou CPAC . Cette combustion a pour principal avantage de produire peu d'oxydes d'azotes (NOx) et peu de particules. Dans ce type de combustion, l'injection du carburant s'effectue tôt dans le cycle thermodynamique pour laisser le temps à la charge de s'homogénéiser. Le mélange carburé s'enflamme de façon spontanée dans le cylindre du moteur lorsque les différentes conditions thermodynamiques sont rassemblées pour que la combustion débute. Un premier problème à résoudre est le calage de la combustion dans le cycle afin de tirer tout le bénéfice de la combustion. Un second problème de ce type de fonctionnement est le bruit engendré par la combustion en masse très rapide du mélange carburé dans la chambre de combustion. Cette combustion rapide provoque une élévation de pression trop rapide de sorte qu'il faut trouver un moyen pour diminuer cette vitesse de combustion et la piloter. La piste généralement suivie est l'utilisation d'une recirculation des gaz d'échappement jusque dans la chambre de combustion. Une telle recirculation est généralement désignée par EGR. En effet, ces gaz sont formés essentiellement de gaz neutres ayant une capacité calorifique importante. Ils diluent la charge et augmentent le délai d'auto-inflammation. Un tel mode de fonctionnement est par exemple présenté dans le document US-6 286 482. De plus, introduit de façon non uniforme, le gaz d'EGR a aussi une action sur la vitesse de combustion. Cependant, cette recirculation a un second effet. La température des gaz d'échappement est plus élevée que le reste de la charge et l'ajout de ces gaz au mélange augmentent la température globale avant combustion. Or une température plus élevée du mélange diminue le délai d'auto-inflammation. Les deux effets induits par la recirculation des gaz d'échappement sont donc antagonistes. Un but de l'invention demeure donc de diminuer encore la vitesse de combustion et de mieux la maîtriser. A cet effet, on prévoit selon l'invention un moteur comprenant au moins une chambre de combustion et des moyens pour injecter un gaz dans la chambre, les moyens d'injection étant agencés pour réaliser une répartition spatiale non uniforme d'au moins une propriété du gaz dans la chambre jusqu'au début de la combustion. Ainsi, cette répartition spatiale induit un étalement temporel de la combustion qui va diminuer la vitesse globale de combustion. En effet, si le mélange est homogène, par exemple chimiquement et thermiquement, la combustion débute simultanément en tout point de la chambre de combustion. C'est exactement l'effet qu'on veut éviter. Le moteur selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes : - un constituant du gaz est un gaz d'échappement recirculé ; - la propriété ou au moins l'une des propriétés est la température locale du gaz ; - la propriété ou au moins l'une des propriétés est une concentration d'un constituant du gaz ; - la répartition spatiale comprend un gradient ; - les moyens d'injection sont aptes à injecter en outre de l'air ; les moyens d'injection comprennent au moins deux conduits d'arrivée et sont agencés de sorte que la température du gaz provenant de l'un des conduits est différente de la température du gaz provenant d'un autre au moins des conduits ou de l'autre conduit, et généralement comprise entre 80[deg]C et 100[deg]C ;- les moyens d'injection comprennent un échangeur thermique pour modifier la température d'un constituant du gaz traversant l'un des conduits ; - il comprend des moyens pour donner au gaz dans la chambre un effet de rotation ; - les moyens d'injection comprennent un conduit agencé pour injecter exclusivement un constituant du gaz ; - les moyens d'injection sont agencés de sorte que l'injection du gaz par le conduit a lieu tant que la pression du gaz dans le conduit demeure supérieure à la pression dans la chambre ; le conduit étant un premier conduit, les moyens d'injection comprennent en outre au moins un deuxième conduit (10) et sont agencés de sorte que le gaz provenant du premier conduit a une température moyenne inférieure à la température moyenne du gaz provenant du deuxième conduit, de préférence comprise entre 80[deg]C et 100.C ;- les moyens d'injection comprennent au moins deux conduits d'arrivée et sont agencés de sorte qu'une concentration d'un constituant du gaz dans l'un des conduits est différente d'une concentration du constituant du gaz dans un autre au moins des conduits ou dans l'autre conduit ; - il comprend un canal débouchant dans l'un des conduits pour l'alimentation de ce conduit avec le gaz ; - il est agencé de sorte que le gaz provient du canal dans le conduit à une température moyenne inférieure à la température moyenne du gaz du conduit, de préférence comprise entre 80[deg]C et 100[deg]C ; - il comprend un turbocompresseur non refroidi apte à alimenter avec un gaz le conduit en amont du canal ; et - il s'agit d'un moteur apte à mettre en u̇vre une combustion de prémélange à allumage par compression. On prévoit également selon l'invention un procédé de commande d'un moteur, dans lequel on injecte un gaz dans au moins une chambre de combustion du moteur, et on réalise l'injection de façon à obtenir une répartition spatiale non uniforme d'au moins une propriété du gaz dans la chambre jusqu'au début de la combustion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante de trois modes préférés de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en références aux dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 est une vue schématique en plan montrant un cylindre du moteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, avec les moyens d'injection associés ; - Les figures 2 et 3 sont deux vues en coupe axiale d'un cylindre du moteur d'un deuxième mode de réalisation selon deux possibilités de mise en u̇vre ; et - La figure 4 est une vue analogue à la figure 1 montrant un troisième mode de réalisation du moteur selon l'invention. Nous allons décrire en référence à la figure 1 un premier mode de réalisation du moteur selon l'invention. Le moteur 2 est un moteur apte à mettre en u̇vre une combustion de prémélange à allumage par compression ou CPAC . Le moteur comprend plusieurs chambres de combustion 4 définies chacune par un cylindre 6 dans lequel est mobile un piston 8. Le moteur comprend également des moyens pour injecter dans chaque chambre les gaz nécessaires au fonctionnement du moteur. Dans le présent exemple, ces moyens comprennent pour chaque chambre 4 au moins deux conduits d'arrivée 10 pour l'amenée des gaz dans la chambre 4, à partir d'une source commune non illustrée et connue en elle-même. Chaque conduit 10 est apte à amener dans la chambre 4 un mélange homogène d'air, de gaz d'échappement recirculés (EGR) et éventuellement de carburant dans le cas d'un moteur à injection indirecte de carburant. La concentration en air et en gaz d'échappement du mélange est la même dans les deux conduits compte tenu de cette source commune. Dans le présent mode de réalisation, les moyens d'injection comprennent en outre un échangeur 12 associé à l'un des conduits 10 pour abaisser la température du gaz traversant ce conduit. L'échangeur pourra être du type intercooler . De la sorte, la température du gaz provenant de ce conduit 10 une fois arrivé dans la chambre 4 sera inférieure à la température du gaz provenant de l'autre conduit 10. En l'espèce cette température sera de préférence la plus faible possible et sera plus généralement comprise entre 80[deg]C et 100[deg]C voire entre 40 et 110[deg]C et par exemple égale à 90[deg]C. Dans le présent exemple, c'est l'ensemble du gaz transitant par le conduit 10 qui se trouve refroidi et donc aussi bien l'air que les gaz d'échappement recirculés qui le constituent. Le moteur comprend également pour chaque chambre 4 au moins un conduit 16 pour l'évacuation des gaz d'échappement. Ainsi, dans cet exemple, on réalise dans la chambre 4 une stratification en température des gaz admis sans agir sur leur concentration. La différence de température entre les gaz amenés dans les deux conduits 10 génère une répartition spatiale non uniforme ou graduelle de cette température dans la chambre jusqu'au début de la combustion. Cette répartition consiste en l'espèce en un gradient de température. Cette stratification en température peut être conservée jusqu'au début de la combustion par exemple par l'application d'un mouvement simple de type culbute, au mélange carburé entrant dans la chambre de combustion. Un tel mouvement est connu en lui-même par exemple du document EP-0 928 887. Il s'agit d'une rotation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe principal du piston. En effet, il est préférable que le gradient de température construit pendant les phases d'admission et de compression comme on vient de le voir soit maintenu jusqu'au début de la combustion. Ici cela est obtenu par le choix d'une géométrie d'admission ne provoquant pas le mélange des gaz dans la chambre de combustion. Un deuxième mode de réalisation de l'invention est illustré à la figure 2. Dans le présent exemple, à chaque chambre 4 est associé comme précédemment au moins un conduit 10 pour l'admission dans la chambre d'un mélange homogène d'air, de gaz d'EGR et éventuellement de carburant dans le cas d'un moteur à injection indirecte de carburant. En outre, à chaque chambre 4 est associé un conduit 20 destiné exclusivement à injecter dans la chambre 4 du gaz d'EGR. Les moyens d'injection sont agencés de sorte que le gaz d'EGR acheminé par ce conduit 20 se trouve à une température inférieure à la température du mélange provenant du ou de chaque conduit 10 et se stratifie à la périphérie du mouvement global. Cette température sera avantageusement comprise entre 80.C et 100[deg]C et de préférence la plus faible possible. De plus, on fait en sorte que la pression régnant dans le conduit 20 soit plus forte que la pression totale régnant dans la chambre 4, et ce au moins au début de la compression. En pratique, l'injection de gaz d'EGR au moyen de ce conduit dans la chambre 4 aura lieu tant que la pression dans le conduit 20 demeure supérieure à la pression totale dans la chambre. L'injection par le conduit 20 de gaz d'EGR permet donc de réaliser une stratification de ce gaz aussi bien quant à sa concentration que quant à sa température. On ménage donc une répartition non uniforme de ce gaz à l'égard des deux propriétés constituées par la concentration et la température. On pourra mettre en u̇vre l'injection du gaz d'EGR par le conduit 20 au moyen de différent dispositifs. Comme illustré à la figure 2, on pourra utiliser une soupape 22 et un boisseau rotatif 24 disposé dans le conduit. Alternativement on pourrait utiliser une soupape semblable et un volume tampon. Une autre possibilité consiste à utiliser une soupape et une came spécifique déphasable 28bis. Comme illustré aux figures 2 et 3, pour réaliser la stratification en périphérie, il est préférable que l'injection du mélange air et EGR et l'injection d'EGR pur se fassent du même côté afin que les deux mouvements induits soient dans le même sens. Comme illustré à la figure 3, une autre possibilité consiste à utiliser une soupape 26 à commande électromagnétique. De façon connue en soi, l'admission et l'échappement à travers les conduits 10 et 16 ont lieu de façon classique au moyen des soupapes 17 et 19. Ces soupapes sont commandées par des arbres à cames 28. La soupape 22 est pilotée par une came déphasable 28bis dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 2. On va enfin décrire un troisième mode de réalisation du moteur sur l'invention en référence à la figure 4. De même que dans le mode de réalisation illustré à la figure 1, à chaque chambre de combustion 4 sont associés deux conduits d'arrivée 10 et au moins un conduit d'échappement 16. Les moyens d'injection comprennent ici en outre un canal 30 dont l'extrémité aval débouche dans l'un des conduits 10 en amont de la chambre 4. Le canal 30 sert exclusivement à l'amenée de gaz d'échappement recirculé jusque dans le conduit 10 associé. Comme précédemment, les deux conduits 10 sont alimentés en amont au moyen d'une source commune par un mélange d'air, de gaz d'échappement recirculé, et éventuellement de carburant. Le gaz d'EGR amené par le canal 30 se trouve à une température comprise entre 80[deg]C et 100[deg]C et de préférence la plus basse possible. On fera en sorte que le mélange transitant par les conduits 10 en amont du canal 30 se trouve à une température supérieure à cette dernière. Les conduits 10 seront par exemple alimentés à partir d'un turbo compresseur non refroidi. Grâce à cet agencement, la concentration des gaz d'EGR à la sortie du conduit 10 associé au canal 30 est supérieure à leur concentration à la sortie de l'autre conduit 10. De même, la température du gaz à la sortie du conduit 10 associé au canal 30 est inférieure à la température à la sortie de l'autre conduit 10. Par conséquent, dans cet exemple, on obtient une répartition spatiale non uniforme de la concentration de gaz d'EGR dans la chambre 4 sous la forme d'un gradient, en même temps qu'une répartition non uniforme de la température du gaz dans la chambre. Ainsi, les effets du gradient de la température du gaz dans la chambre 4 et du gradient de concentration de gaz d'EGR dans la chambre 4 se combinent favorablement pour diminuer la vitesse de combustion. Grâce à ces différents modes de réalisation, on réalise à chaque fois l'injection de façon à obtenir une répartition spatiale non uniforme d'au moins une propriété des gaz d'EGR dans la chambre jusqu'au début de la combustion, et de préférence pendant les phases d'admission et de compression. L'utilisation seule d'un gradient de concentration de gaz d'EGR ne donne pas les meilleurs résultats. C'est pourquoi pour optimiser les performances, il est préférable de mettre en place en outre un gradient de température des gaz d'EGR grâce aux moyens qui viennent d'être décrits. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celleci. La non uniformité (voire le gradient) pourra concerner un autre gaz que les gaz d'EGR. REVENDICATIONS 1. Moteur comprenant au moins une chambre de combustion (4) et des moyens pour injecter un gaz dans la chambre, caractérisé en ce que les moyens d'injection sont agencés pour réaliser une répartition spatiale non uniforme d'au moins une propriété du gaz dans la chambre jusqu'au début de la combustion. 2. Moteur selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'un constituant du gaz est un gaz d'échappement recirculé. 3. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la propriété ou au moins l'une des propriétés est la température locale du gaz. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la propriété ou au moins l'une des propriétés est une concentration d'un constituant du gaz. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la répartition spatiale comprend un gradient. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens d'injection sont aptes à injecter en outre de l'air. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens d'injection comprennent au moins deux conduits d'arrivée (10) et sont agencés de sorte que la température du gaz provenant de l'un des conduits est différente de la température du gaz provenant d'un autre au moins des conduits ou de l'autre conduit, et généralement comprise entre 80[deg]C et 100[deg]C. 8. Moteur selon la revendication précédente caractérisé en ce que les moyens d'injection comprennent un échangeur thermique (12) pour modifier la température du gaz traversant l'un des conduits (10). 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour donner au gaz dans la chambre un effet de rotation. 10. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens d'injection comprennent un conduit (20) agencé pour injecter exclusivement un constituant du gaz. 11. Moteur selon la revendication précédente caractérisé en ce que les moyens d'injection sont agencés de sorte que l'injection du gaz par le conduit (20) a lieu tant que la pression du gaz dans le conduit demeure supérieure à la pression dans la chambre (4). 12. Moteur selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11 caractérisé en ce que, le conduit (20) étant un premier conduit, les moyens d'injection comprennent en outre au moins un deuxième conduit (10) et sont agencés de sorte que le gaz provenant du premier conduit (20) a une température moyenne inférieure à la température moyenne du gaz provenant du deuxième conduit (10), de préférence comprise entre 80[deg]C et 100[deg]C. 13. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens d'injection comprennent au moins deux conduits d'arrivée (10) et sont agencés de sorte qu'une concentration d'un constituant du gaz dans l'un des conduits est différente d'une concentration du constituant du gaz dans un autre au moins des conduits ou dans l'autre conduit. 14. Moteur selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13 caractérisé en ce qu'il comprend un canal (30) débouchant dans l'un des conduits pour l'alimentation de ce conduit avec le gaz. 15. Moteur selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il est agencé de sorte que le gaz provient du canal (30) dans le conduit (10) à une température moyenne inférieure à la température moyenne du gaz du conduit, de préférence comprise entre 80[deg]C et 100[deg]C. 16. Moteur selon l'une quelconque des revendications 14 ou 15 caractérisé en ce qu'il comprend un turbocompresseur non refroidi apte à alimenter avec un gaz le conduit (10) en amont du canal (30). 17. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il s'agit d'un moteur apte à mettre en u̇vre une combustion de prémélange à allumage par compression. 18. Procédé de commande d'un moteur, dans lequel on injecte un gaz dans au moins une chambre de combustion (4) du moteur, caractérisé en ce qu'on réalise l'injection de façon à obtenir une répartition spatiale non uniforme d'au moins une propriété du gaz dans la chambre jusqu'au début de la combustion.