Brevet FR2868481A1 — publié le 20051007

La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle de la recirculation des gaz d'échappement d'un moteur suralimenté à combustion interne et à un moteur utilisant un tel procédé. Elle concerne plus particulièrement les moteurs pouvant fonctionner avec une telle recirculation en vue d'améliorer la réduction des émissions de polluants et plus particulièrement des émissions d'oxydes d'azote (NOx) lorsque ces moteurs fonctionnent avec une richesse pauvre du mélange carburé. L'utilisation de la recirculation d'une partie des gaz d'échappement à l'admission du moteur pour réduire les émissions de NOx est devenue un processus courant, comme cela est illustré à titre d'exemple dans le brevet US 3 982 395, et est généralement nécessaire pour des moteurs fonctionnant à faible ou moyenne charge avec un mélange carburé pauvre. En effet, l'introduction de gaz d'échappement dans les cylindres en phase d'admission a pour effet de diminuer la quantité d'air frais pouvant se mélanger avec le carburant. Ceci permet d'abaisser la température de combustion du mélange carburé et par conséquent de réduire la production de NOx résultant de cette combustion. Généralement, cette recirculation est réalisée grâce à un circuit, dénommé circuit EGR (Exhaust Gas Recirculation) comprenant un conduit reliant le collecteur d'échappement du moteur à son collecteur d'admission et une vanne, dite vanne EGR, placée dans ce conduit et qui permet de contrôler le flux de gaz qui y circule. Ce circuit présente l'inconvénient d'être très complexe quant à la mise en place du conduit et de la vanne, d'entraîner des surcoûts non négligeables et de nécessiter des moyens de commande de la vanne EGR très sophistiqués. Des inconvénients encore plus importants viennent s'ajouter à ceux décrits ci-dessus dans la configuration où- l'on souhaite améliorer la suralimentation de ce moteur. En effet, lorsque l'on désire augmenter rapidement la vitesse de rotation de la turbine, il est souvent admis de réaliser, dans les cylindres, un mélange carburé sous forme stratifiée et avec une richesse pauvre de manière à augmenter la quantité de gaz d'échappement résultant de la combustion. Un tel mélange entraîne une combustion qui va produire une grande quantité de NOx et il est souhaitable de minimiser cette production de NOx par une recirculation des gaz d'échappement. En outre, un tel mélange carburé stratifié permet également de réduire, de manière non négligeable, la consommation de carburant. Cependant, lors de recirculation des gaz d'échappement, il se crée des phénomènes de pompage dus aux conditions de pressions nécessaires à cette recirculation et ces pertes par pompage réduisent fortement les gains de consommation de carburant que l'on pouvait attendre du mélange carburé stratifié. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un procédé de contrôle de la recirculation de gaz d'échappement qui permet de se dispenser d'un conduit de recirculation et d'une vanne EGR tout en utilisant la quantité nécessaire et suffisante de gaz d'échappement pour assurer la maîtrise des émissions de NOx. De plus, les pertes par pompage sont quasiment supprimées et la réduction de la consommation de carburant est augmentée. A cet effet, l'invention se rapporte à un procédé de contrôle de la recirculation d'une partie des gaz d'échappement d'un moteur suralimenté à combustion interne avec un cycle de combustion durant lequel au moins un cylindre du moteur est en phase d'admission simultanément au moins à un autre cylindre en phase d'échappement, les cylindres comprenant au moins un moyen d'admission avec une soupape d'admission et au moins un moyen d'échappement avec une soupape d'échappement, ledit moteur comprenant en outre un collecteur d'échappement reliant lesdits moyens d'échappement, caractérisé en ce qu'il consiste, lorsque le moteur fonctionne avec une richesse pauvre du mélange carburé, à commander en ouverture la soupape d'échappement du cylindre en phase d'admission de manière à y introduire une partie des gaz d'échappement issus du cylindre en phase d'échappement et contenus dans le collecteur. Avantageusement, le procédé peut consister à commander en ouverture la soupape d'échappement du cylindre en phase d'admission sensiblement simultanément à l'ouverture de la soupape d'échappement du cylindre en phase d'échappement. Ce procédé de contrôle peut également consister à commander en ouverture la soupape d'admission du cylindre en phase d'admission sensiblement simultanément à la fermeture de sa soupape d'échappement. Alternativement, il peut consister à commander en ouverture la soupape d'admission du cylindre en phase d'admission sensiblement simultanément à l'ouverture de sa soupape d'échappement. L'invention concerne également un moteur suralimenté à combustion interne dans lequel les cylindres comprennent au moins un moyen d'admission avec une soupape d'admission, au moins un moyen d'échappement avec une soupape d'échappement et un collecteur reliant les moyens d'échappement desdits cylindres, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande des soupapes d'échappement pour commander en ouverture la soupape d'échappement d'au moins un cylindre en phase d'admission de manière à ce qu'une partie des gaz d'échappement issus d'au moins un cylindre en phase d'échappement et contenus dans ledit collecteur soit introduite dans le cylindre en phase d'admission. Les moyens de commande peuvent comprendre des moyens de variation 30 des lois de levée des soupapes d'échappement. Les moyens de variation des lois de levée peuvent comprendre des commandes de type VVT ou VVL. Lorsque le moteur à combustion interne est un moteur suralimenté dans lequel un turbocompresseur assure la suralimentation en air d'admission dans le cylindre en phase d'admission, le turbocompresseur comprend une entrée unique. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées: - la figure 1 qui montre un moteur suralimenté à quatre cylindres selon l'invention et les figure 2 et 3 qui sont des vues en coupe partielle respectivement d'un 15 cylindre en phase d'échappement (coupe selon AA) et d'un autre cylindre en phase d'admission (coupe selon BB) du moteur de la figure 1. Sur la figure 1, un moteur suralimenté à combustion interne, notamment du type à injection directe de carburant, comporte au moins quatre cylindres 10, 12, 14, 16 ou un multiple de quatre cylindres. Chaque cylindre comprend au moins un moyen d'admission 18 avec une soupape d'admission 20 ainsi qu'une tubulure d'admission 22 et au moins un moyen d'échappement 24 avec une soupape d'échappement 26 et une tubulure d'échappement 28. Un collecteur d'admission 30 relie les tubulures d'admission 22 entre elles alors que les tubulures d'échappement 28 aboutissent à un collecteur d'échappement 32. Ce collecteur d'échappement est raccordé par une conduite 34 à l'entrée unique d'une turbine 36 d'un turbocompresseur 38. Cette turbine est reliée par l'intermédiaire d'un arbre à un étage de compression 40 de ce turbocompresseur. L'étage de compression permet ainsi, comme cela est connu en soi, de comprimer de l'air ambiant qui y est admis et de le distribuer, à l'état comprimé, dans le collecteur d'admission 30 par une conduite 42. 2868481 5 Les soupapes d'échappement 26 sont commandées en ouverture et en fermeture par des moyens 44, comme ceux connus sous le sigle VVT (Variable Valve Timing) ou WL (Variable Valve Lift), permettant de faire varier les lois de levée de ces soupapes, notamment au niveau de leurs moments d'ouverture et de fermeture, et ce indépendamment les unes des autres. De même, les soupapes d'admission 20 peuvent être commandées par des moyens 46 permettant également de faire varier les lois de levée de ces soupapes et des moyens de commande de type VVT ou VVL seront utilisés préférentiellement. Les moyens 44 et 46 sont pilotés par une unité de contrôle 48 qui permet de modifier, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, comme le régime du moteur ou sa charge, les lois de levée des soupapes. Comme connu en soi, chaque cylindre comprend un piston 50 mobile en un mouvement translatif alternatif entre une position basse, dite point mort bas (PMB), et une position haute, dite point mort haut (PMH), et inversement, grâce à une bielle 52 reliée à un maneton d'un vilebrequin (non représentés) que comporte habituellement un tel moteur. Ce cylindre comprend également une chambre de combustion 54 délimitée par le haut du piston et le haut du cylindre. Les moyens d'admission 18 et d'échappement 24 débouchent dans cette chambre (figures 2 et 3) ainsi que tous moyens d'injection de carburant (non représentés) permettant d'obtenir un mélange carburé dans la chambre 54 et tous moyens d'allumage de ce mélange, tel qu'un allumage par étincelles dans le cas d'un moteur à allumage commandé, pour réaliser la combustion de ce mélange carburé. Dans l'exemple décrit en relation avec la présente invention, il est considéré que le moteur le moteur fonctionne avec un cycle de combustion, à une position déterminée du vilebrequin, durant lequel simultanémènt le cylindre est en phase d'admission durant laquelle le piston 50 a une course allant du voisinage de son PMH au voisinage de son PMB, le cylindre 12 est en phase de compression, le cylindre 14 en phase d'échappement avec une course du piston allant du voisinage de son PMB vers le voisinage de son PMH et le dernier cylindre (cylindre 16) en phase de détente, ce cycle étant habituellement dénommé 1, 4, 3, 2. Dans les figures 2 et 3 qui montrent les configurations des cylindres 14 et 10 à une même position déterminée du vilebrequin, le cylindre 14 est en phase d'échappement avec le piston 50 situé au voisinage de son point mort bas (PMB) alors que le cylindre 10 est en phase d'admission avec son piston 50 se trouvant au voisinage du point mort haut (PMH). La pression 'e régnant dans la chambre de combustion 54 du cylindre 14 correspond à celle de la pression des gaz d'échappement à la fin de la phase de détente, qui est de l'ordre de 5 bars (0,5 MPa), et la pression Padm dans la chambre 54 du cylindre 10 est largement inférieure à cette pression d'échappement. Ainsi, dans le cas d'un fonctionnement du moteur à faibles charges ou à moyennes charges ainsi que dans le cas où une augmentation de vitesse de la turbine est souhaitée, le calculateur-moteur, qui est généralement associé à ce moteur, détermine les paramètres d'injection de carburant et d'admission d'air pour réaliser un mélange pauvre. Ce calculateur-moteur envoie également des instructions à l'unité de contrôle 48 pour réaliser une recirculation des gaz d'échappement dans la chambre 54 du cylindre 10 en phase d'admission pour minimiser les émissions de NOx. Pour cela, une partie des gaz d'échappement sortant du cylindre 14 en phase d'échappement est utilisée, via le collecteur d'échappement, pour être injectée dans le cylindre 10 en phase d'admission. Plus précisément, les gaz d'échappement sortant de la chambre 54 au travers de la soupape d'échappement 26 sont évacués dans le collecteur d'échappement 32, puis une partie de ces gaz contenus dans le collecteur est introduite dans la chambre 54 du cylindre 10 en phase d'admission par une commande en ouverture de sa soupape d'échappement 26. L'autre partie des gaz est évacuée vers la turbine 36 du turbocompresseur 38 via la conduite 34. Pour réaliser une telle recirculation, l'unité de contrôle 48 pilotent les moyens de commandes 44 de manière à ce qu'ils actionnent les soupapes d'échappement 26 d'une façon telle que la soupape 26 du cylindre 14 soit commandée en ouverture pour évacuer les gaz vers le collecteur d'échappement 32 et que la soupape d'échappement 26 du cylindre 10 soit commandée en ouverture, c'est-à-dire soit maintenue en position ouverte, durant un délai déterminé, afin qu'une partie des gaz d'échappement présente dans le collecteur d'échappement 32 soit introduite dans la chambre 54 du cylindre 10. Une fois que cette quantité de gaz d'échappement est introduite, les moyens 44 commandent en fermeture la soupape 26 du cylindre 10 et maintiennent en ouverture la soupape 26 du cylindre 14 jusqu'à sensiblement la fin de la phase d'échappement, c'està-dire jusqu'aux environs du point mort haut du piston 50 du cylindre 14. Après la fermeture de la soupape 26 du cylindre 10, les moyens de commande 46 actionnent la soupape d'admission 20 du cylindre en phase d'admission de façon à introduire de l'air suralimenté dans la chambre 54 de ce cylindre. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, il peut être envisagé d'ouvrir simultanément les soupapes d'admission 20 et d'échappement 26 du cylindre 10 en phase d'admission pour obtenir un mélange homogène dans la chambre de combustion. Ceci est rendu possible car la pression Padm régnant dans la chambre 54 est inférieure à la pression des gaz d'échappement contenu dans le collecteur, cette pression étant légèrement inférieure à la pression Pe des gaz sortant du cylindre 14. Dans l'éventualité où une recirculation des gaz d'échappement n'est pas nécessaire et plus particulièrement en cas de mélange carburé à la stoechiométrie, les moyens 44 et 46 actionneront en ouverture et en fermeture les soupapes 20 et 26 de manière conventionnelle ou permettront de réaliser un balayage des gaz brûlés résiduels, comme mieux décrit dans la demande de brevet français N 03 14967 du demandeur. Grâce à cette disposition, la quasi-totalité des gaz d'échappement, exception faite de la quantité nécessaire à la recirculation, est utilisée pour l'entraînement de la turbine. De plus aucune disposition particulière n'est nécessaire pour réaliser cette recirculation, seules les composants habituellement présents dans un moteur sont employés. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit 5 mais englobe tous équivalents ou variantes Notamment, la description qui précède s'applique aussi bien aux moteurs suralimentés ou non à injection indirecte, notamment à allumage commandé, qu'aux moteurs suralimentés ou non à injection directe. REVENDICATIONS 1) Procédé de contrôle de la recirculation d'une partie des gaz d'échappement d'un moteur suralimenté à combustion interne avec un cycle de combustion durant lequel au moins un cylindre (10) du moteur est en phase d'admission simultanément au moins à un autre cylindre (14) en phase d'échappement, les cylindres comprenant au moins un moyen d'admission (18) avec une soupape d'admission (20) et au moins un moyen d'échappement (24) avec une soupape d'échappement (26), ledit moteur comprenant en outre un collecteur d'échappement (32) reliant lesdits moyens d'échappement, caractérisé en ce qu'il consiste: - lorsque le moteur fonctionne avec une richesse pauvre du mélange carburé, à commander en ouverture la soupape d'échappement (26) du cylindre (10) en phase d'admission de manière à y introduire une partie des gaz d'échappement issus du cylindre (14) en phase d'échappement et contenus dans le collecteur (32). 2) Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à commander en ouverture la soupape d'échappement (26) du cylindre en phase d'admission sensiblement simultanément à l'ouverture de la soupape d'échappement (26) du cylindre (14) en phase d'échappement. 3) Procédé de contrôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à commander en ouverture la soupape d'admission (20) du cylindre (10) en phase d'admission sensiblement simultanément à la fermeture de sa soupape d'échappement (26). 4) Procédé de contrôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à commander en ouverture la soupape d'admission (20) du cylindre (10) en phase d'admission sensiblement simultanément à l'ouverture de sa soupape d'échappement (26). 2868481 10 5) Moteur suralimenté à combustion interne dans lequel les cylindres (10, 12, 14, 16), comprennent au moins un moyen d'admission (18) avec une soupape d'admission (20), au moins un moyen d'échappement (24) avec une soupape d'échappement (28) et un collecteur (32) reliant les moyens d'échappement desdits cylindres, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande (44) des soupapes d'échappement (26) pour commander en ouverture la soupape d'échappement (26) d'au moins un cylindre (10) en phase d'admission de manière à ce qu'une partie des gaz d'échappement issus d'au moins un cylindre (14) en phase d'échappement et contenus dans ledit collecteur soit introduite dans le cylindre (10) en phase d'admission. 6) Moteur à combustion interne suralimenté selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande (44) comprennent des moyens de variation des lois de levée des soupapes d'échappement (26). 7) Moteur à combustion interne suralimenté selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens (44) de variation des lois de levée comprennent des commandes de type VVT ou VVL. 8) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 5 à 7 dans lequel un turbocompresseur (38) assure la suralimentation en air d'admission dans le cylindre (10) en phase d'admission, caractérisé en ce que le turbocompresseur (38) comprend une entrée unique.