Brevet FR2861425A1 — publié le 20050429

PROCEDE D'ADMISSION DE GAZ BRULES RECYCLES DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION ET MOTEUR METTANT EN UVRE CE PROCEDE La présente invention concerne, de façon générale, le domaine de l'injection de comburant et de gaz brûlés recyclés dans un moteur thermique tel qu'un moteur diesel. Plus particulièrement, l'invention concerne un moteur thermique à fonctionnement cyclique tel qu'un moteur diesel à injection directe, comprenant notamment une chambre de combustion dans laquelle coulisse un piston, selon un axe de coulissement du piston, des moyens d'injection de carburant dans la chambre, des premier et second moyens d'admission pour admettre sélectivement dans la chambre un comburant gazeux contenant de l'air, des moyens d'échappement pour autoriser sélectivement l'échappement de gaz brûlés hors de la chambre et des moyens de recyclage incluant un moyen de contrôle de débit pour recycler des gaz brûlés, et une première conduite de gaz brûlés reliée d'une part au moyen de contrôle de débit et reliée d'autre part, par une première zone de liaison, au premier moyen d'admission. L'invention concerne également un procédé d'injection pour moteur thermique à fonctionnement 25 cyclique tel qu'un moteur diesel à injection directe, comprenant notamment une chambre de combustion dans laquelle coulisse un piston, selon un axe de coulissement du piston, des moyens d'injection de carburant dans la chambre, des premier et second moyens d'admission pour admettre sélectivement dans la chambre un comburant gazeux contenant de l'air, des moyens d'échappement pour autoriser sélectivement l'échappement de gaz brûlés hors de la chambre et des moyens de recyclage incluant un moyen de contrôle de débit pour recycler des gaz brûlés. L'utilisation de gaz dits de recirculation ou EGR ou gaz recyclés 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 recyclés 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 des gaz recyclés est plus important que celui d'un mélange équivalent n'en contenant pas. Il est donc possible de retarder l'allumage d'un mélange air / carburant en y adjoignant des gaz recyclés jusqu'à une limite maximale de concentration 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 gaz recyclés s'effectue par un circuit localisé hors de 30 la chambre de combustion et d'EGR interne lorsque ces gaz résiduels de la combustion sont restés piégés dans la chambre de combustion. L'invention proposée se rapporte principalement à la gestion de l'EGR externe et au procédé de contrôle du débit de gaz recyclé admis dans la chambre pour obtenir les effets désirés. 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 par le comburant est libérée. L'utilisation de gaz recyclés permet d'étaler le temps de combustion et corrélativement de réduire le bruit du moteur. Toutefois la réduction du bruit du moteur par l'utilisation de gaz recyclés peut être préjudiciable pour le rendement moteur. C'est la raison pour laquelle de nombreux motoristes ont développé diverses solutions visant à contrôler l'adjonction de gaz recyclés et particulièrement la création de strates de gaz dans la ou les chambres de combustion. Un moteur type précédemment défini, permettant la création d'une strate fluide contenant un comburant et d'une strate fluide contenant des gaz brûlés recyclés, est par exemple décrite dans le document brevet GB 2 328 716. Ce document décrit un moteur thermique à fonctionnement cyclique, comprenant une chambre de combustion dans laquelle sont injectées une strate périphérique contenant un comburant et une strate centrale contenant un mélange d'air et de gaz brûlés recyclés, ces strates étant sensiblement concentriques par rapport à un axe de coulissement du piston dans la chambre de combustion et par rapport aux moyens d'injection de carburant dans la chambre 1. Cette stratification est réalisée grâce à un premier moyen d'admission de comburant gazeux sur lequel est connecté une première conduite d'alimentation en gaz brûlés et un second moyens d'admission de comburant gazeux pur. La première conduite est orientée en direction du centre de la chambre de combustion de façon à créer la strate centrale composée de comburant et de gaz brûlés recyclés. Ainsi, une strate riche en gaz brûlés est créée à proximité du moyen d'injection de carburant qui se trouve au centre de la chambre de combustion, dans l'axe de coulissement du piston. Le volume d'oxyde d'azote qui est principalement généré dans la région d'ignition de la combustion, c'est à dire à proximité des moyens d'injection est ainsi réduit. L'ignition de la combustion est également retardée sur commande par injection de gaz brûlés dans la partie centrale de la chambre. Malgré les avantages de ce dispositif de l'art antérieur il est nécessaire d'améliorer la répartition concentrique et symétrique des strates à l'intérieur de la chambre de combustion, par rapport à l'axe de coulissement du piston. Une telle amélioration permettrait de mieux contrôler le positionnement relatif des différentes strates par rapport au point d'ignition de la combustion dans la chambre et ainsi réduire les dégagements polluants d'oxyde d'azote. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un moteur et un procédé d'injection pour moteur permettant d'améliorer la répartition symétrique dans la chambre de combustion, autour de l'axe de coulissement du piston, des différentes strates gazeuses ayant des taux de comburant et de gaz brûlés recyclés différents. 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 qu'il comporte une seconde conduite de gaz brûlés reliée d'une part au moyen de contrôle de débit et reliée d'autre part, par une seconde zone de liaison, au second moyen d'admission, la première zone de liaison entre la première conduite et le premier moyen d'admission étant adaptée pour créer dans la chambre de combustion une première veine fluide contenant un comburant et une seconde veine fluide accolée à la première et contenant des gaz brûlés, la seconde zone de liaison entre la seconde conduite et le second moyen d'admission étant adaptée pour créer dans la chambre de combustion, une troisième veine fluide contenant le comburant et une quatrième veine fluide accolée à la troisième et contenant des gaz brûlés, et ces veines fluides formant des strates fluides concentriques par rapport à l'axe de coulissement du piston. A cette fin également, le procédé de l'invention par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'une première veine fluide contenant un comburant et une seconde veine fluide accolée à la première et contenant des gaz brûlés sont injectées dans la chambre de combustion par le premier moyen d'admission et en ce qu'une troisième veine fluide contenant un comburant et une quatrième veine fluide accolée à la troisième et contenant des gaz brûlés sont injectées dans la chambre de combustion par le second moyen d'admission, ces veines fluides formant des strates fluides concentriques par rapport à l'axe de coulissement du piston. Le fait de créer dans une chambre une strate gazeuse à l'aide de deux moyens d'admissions différents permet d'améliorer la répartition des sources d'admission en gaz brûlés recyclés ou en comburant dans la chambre et ainsi réduire les dissymétries d'admission de ces fluides gazeux par rapport à l'axe principal de la chambre. De plus, le fait qu'un même moyen d'admission soit utilisé pour générer dans une même chambre deux veines fluides accolées l'une à l'autre permet de réduire le risque d'apparition de turbulences entre ces veines fluides, ce qui favorise d'autant la génération des strates à l'intérieur de la chambre. La combinaison de ces deux avantages permet donc de créer des strates dont les épaisseurs peuvent être facilement ajustées en faisant varier le débit de chaque veine fluide et également d'améliorer la répartition symétrique de ces strates dans la chambre de combustion. Ainsi, grâce au moteur et au procédé selon l'invention, le rendement du moteur peut être amélioré, et le bruit et le volume de gaz pollués générés peuvent être réduits par rapport aux moteurs de l'art antérieur. On peut par exemple faire en sorte que les première et troisième veines fluides forment une première strate et en ce que les seconde et quatrième veines fluides forment une seconde strate. Ainsi, les première et seconde strates sont composées respectivement des gaz des première et troisième veines fluides pour la première strate et des gaz des seconde et quatrième veines fluides pour la seconde strate. Dans les cas où les première et troisième veines fluides ont la même composition, alors la première strate aura une composition homogène. De même pour le cas où les compositions des seconde et troisième veines fluides sont de même composition, alors la seconde strate aura une composition homogène. 15 20 Préférentiellement, les strates ont des compositions homogènes de façon à réaliser une stratification concentrique par rapport à l'axe de coulissement du piston. Le dispositif selon l'invention peut alternativement être utilisé pour créer une première et/ou une seconde strate de nature(s) non homogène(s). Pour cela: - les première et troisième veines fluides ont des compositions gazeuses différentes l'une de l'autre, ce qui génère une première strate hétérogène composée d'au moins deux gaz différents; - et/ou les seconde 3t quatrième veines fluides ont des compositions gazeuses différentes l'une de l'autre, ce qui génère une seconde strate hétérogène composée d'au moins deux gaz différents. La ou les strates hétérogènes peuvent par exemple être utilisées lorsque la chambre de combustion comporte plusieurs points d'injection de carburant décalés par rapport à l'axe de coulissement du piston. Dans ce cas il peut être utile de générer une ou des portions de strates ayant de fortes concentrations en gaz brûlés autour de chaque point d'injection de carburant, au moment de l'ignition. De cette façon le volume d'oxyde d'azote généré par une chambre dotée de plusieurs points d'injection de carburant peut être réduit sans avoir à injecter une forte quantité de gaz brûlés recyclés. Préférentiellement, les première et troisième veines fluides créent une première strate contenant un comburant et les seconde et quatrième veines fluides créent un seconde strate concentrique de la première et contenant des gaz brûlés recyclés. Dans le cas d'une chambre possédant un point d'injection de carburant centré dans la chambre et sensiblement aligné avec l'axe de coulissement du piston, la première strate contenant un comburant est préférentiellement périphérique de la seconde strate contenant des gaz brûlés. De cette façon la strate de gaz brûlés recyclés est répartie symétriquement et face à l'axe de coulissement du piston et donc au point d'injection. Alternativement la seconde strate contenant des gaz brûlés est périphérique de la première strate contenant un comburant, ceci peut par exemple être utile lorsque le ou les points d'ignition de la combustion sont décalés par rapport à l'axe de coulissement du piston. 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 représente une chambre de combustion d'un moteur selon l'invention; la figure 2 représente une vue en coupe de la chambre de combustion du moteur selon l'invention 5 contenant deux strates gazeuses concentriques. Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un moteur thermique comprenant une chambre de combustion 1 dans laquelle coulisse un piston, selon un axe de coulissement 2 du piston. Des moyens d'injection de carburant dans la chambre 1, non représentés sont généralement placés dans l'axe de coulissement du piston 2, sur une paroi de la chambre 1. Les premier et second moyens d'admission 3, 4 qui sont généralement des soupapes, permettent d'admettre sélectivement dans la chambre 1 un comburant gazeux contenant de l'air. Des moyens d'échappement 5, 6 autorisent sélectivement l'échappement de gaz brûlés hors de la chambre 1. 20 Des moyens de recyclage comprennent une conduite principale pour collecter et transporter une partie des gaz brûlés vers un moyen de contrôle de débit 17. Ces moyens de recyclage permettent le recyclage des gaz brûlés, dans la chambre de combustion. Une première conduite 7 de gaz brûlés est reliée d'une part au moyen de contrôle de débit 17 et reliée d'autre part, par une première zone de liaison 15, au premier moyen d'admission 3. Une seconde conduite 8 de gaz brûlés est reliée d'une part au moyen de contrôle de débit 17 et reliée d'autre part, par une seconde zone de liaison 16, au second moyen d'admission 4. La première zone de liaison 15 entre la première conduite 7 et le premier moyen d'admission 3 est adaptée pour créer dans la chambre de combustion 1 une première veine fluide 9 contenant un comburant et une seconde veine fluide 10 accolée à la première 9 et contenant des gaz brûlés. De même, la seconde zone de liaison 16 entre la seconde conduite 8 et le second moyen d'admission 4 est adaptée pour créer dans la chambre de combustion 1, une troisième veine fluide 13 contenant le comburant et une quatrième veine fluide 14 accolée à la troisième 13 et contenant des gaz brûlés. La première zone de liaison 15 est formée par un premier piquage tangentiel 15 de la première conduite 7 sur une conduite d'alimentation en comburant 18 du premier moyen d'admission 3. Ce premier piquage est ainsi adapté pour permettre un écoulement tangentiel de la seconde veine fluide 10 par rapport à l'écoulement de la première veine fluide 9 dans le premier moyen d'admission 3. De même, la seconde zone de liaison 16 est formée 30 par un second piquage tangentiel 16 de la seconde conduite 8 sur une conduite d'alimentation en comburant 19 du second moyen d'admission 4. Ce second piquage 16 est adapté pour permettre un écoulement tangentiel de la quatrième veine fluide 14 par rapport à l'écoulement de la troisième veine fluide 13 dans le second moyen d'admission 4. Ces piquages 15 et 16 sont adaptés pour que le comburant et les gaz brûlés recyclés s'écoulent vers la chambre de combustion 1 selon des flux laminaires, en réduisant au maximum le mélange entre les première et seconde veines fluides et entre les troisième et quatrième veines fluides. Les première et troisième veines fluides 9, 13 forment une première strate 11 et les seconde et quatrième veines fluides 12, 14 forment une seconde strate 12, ces strates étant disposées concentriquement par rapport à l'axe de coulissement 2 du piston. Comme représenté sur 1 exemple de la figure 2, la première strate contenant un comburant est périphérique de la seconde strate 12 contenant des gaz brûlés. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'une au moins des veines fluides peut être admises dans la chambre par des ports d'admission forçant la veine fluide à tourbillonner sur elle même. REVENDICATIONS 1. Moteur thermique à fonctionnement cyclique tel qu'un moteur diesel à injection directe, comprenant notamment une chambre de combustion (1) dans laquelle coulisse un piston, selon un axe de coulissement (2) du piston, des moyens d'injection de carburant dans la chambre (1), des premier et second moyens d'admission (3, 4) pour admettre sélectivement dans la chambre (1) un comburant gazeux contenant de l'air, des moyens d'échappement (5, 6) pour autoriser sélectivement l'échappement de gaz brûlés hors de la chambre (1) et des moyens de recyclage incluant un moyen de contrôle de débit (17) pour recycler des gaz brûlés, et une première conduite (7) de gaz brûlés reliée d'une part au moyen de contrôle de débit (17) et reliée d'autre part, par une première zone de liaison (15), au premier moyen d'admission (3), le moteur étant caractérisé en ce qu'il comporte une seconde conduite (8) de gaz brûlés reliée d'une part au moyen de contrôle de débit (17) et reliée d'autre part, par une seconde zone de liaison (16), au second moyen d'admission (4), la première zone de liaison (15) entre la première conduite (7) et le premier moyen d'admission (3) étant adaptée pour créer dans la chambre de combustion (1) une première veine fluide (9) contenant un comburant et une seconde veine fluide (10) accolée à la première (9) et contenant des gaz brûlés, la seconde zone de liaison (16) entre la seconde conduite (8) et le second moyen d'admission (4) étant adaptée pour créer dans la chambre de combustion (1), une troisième veine fluide (13) contenant le comburant et une quatrième veine fluide (14) accolée à la troisième (13) et contenant des gaz brûlés, et ces veines fluides (9, 10, 13, 14) formant des strates fluides (11, 12) concentriques par rapport à l'axe de coulissement (2) du piston. 2. Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les première et troisièmes veines fluides (9, 13) forment une première strate (11) et en ce que les seconde et quatrième veines fluides (12, 14) forment une seconde strate (12). 3. Moteur selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la première zone de liaison (15) est formée par un premier piquage tangentiel (15) adapté pour permettre un écoulement tangentiel de la seconde veine fluide (10) par rapport à l'écoulement de la première veine fluide (9) dans le premier moyen d'admission (3). 4. Moteur selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la seconde zone de liaison (16) est formée par un second piquage tangentiel (16) adapté pour permettre un écoulement tangentiel de la quatrième veine fluide (14) par rapport à l'écoulement de la troisième veine fluide (13) dans le second moyen d'admission (4). 5. Procédé d'injection pour moteur thermique à fonctionnement cyclique tel qu'un moteur diesel à injection directe, comprenant notamment une chambre de combustion (1) dans laquelle coulisse un piston, selon un axe de coulissement (2) du piston, des moyens d'injection de carburant dans la chambre (1), des premier et second moyens d'admission (3, 4) pour admettre sélectivement dans la chambre (1) un comburant gazeux contenant de l'air, des moyens d'échappement (5, 6) pour autoriser sélectivement l'échappement de gaz brûlés hors de la chambre (1) et des moyens de recyclage incluant un moyen de contrôle de débit (17) pour recycler des gaz brûlés, le procédé étant caractérisé en ce qu'une première veine fluide (9) contenant un comburant et une seconde veine fluide (10) accolée à la première (9) et contenant des gaz brûlés sont injectées dans la chambre de combustion (1) par le premier moyen d'admission (3) et en ce qu'une troisième veine fluide (13) contenant un comburant et une quatrième veine fluide (14) accolée à la troisième (13) et contenant des gaz brûlés sont injectées dans la chambre de combustion (1) par le second moyen d'admission (4), ces veines fluides (9, 10, 13, 14) formant des strates fluides (11, 12) concentriques par rapport à l'axe de coulissement (2) du piston. 6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que les première et troisième veines fluides (9, 13) créent une première strate (11) contenant un comburant et en ce que les seconde et quatrième veines fluides (10, 14) créent un seconde strate (12) concentrique de la première (11) et contenant des gaz brûlés recyclés. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la seconde strate (12) contenant des gaz brûlés est périphérique de la première strate (11) contenant un comburant. 8. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la première strate contenant un comburant est périphérique de la seconde strate (12) contenant des gaz brûlés.